一種基于腦電波檢測的兒童注意缺陷障礙（ADHD）輔助治療設(shè)備

祝朝坤 肖賀旭

摘 要：本設(shè)備為一種基于腦電波檢測的兒童注意缺陷障礙（ADHD）輔助治療設(shè)備，利用腦電波分析儀采集信號，通過藍(lán)牙與主控之間進(jìn)行通信，主控為STM32單片機，在接收到信號后通過數(shù)據(jù)處理算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過I/O輸出為PWM方波，專注力的強度即為占空比，采集到的專注力信號越強占空比越高。為了確定是否達(dá)到治療效果，我們以正常兒童注意力的PWM波的占空比為一個常量，治療兒童的PWM波的占空比為變量，用變量和常量的PWM波分別控制2個機器人進(jìn)行同方向運動，設(shè)置一定的路程，2個機器人同時運動，在一定路程中比較2個機器人到達(dá)終點的時間。該方法能夠使孩子在娛樂中，自然的完成對ADHD的訓(xùn)練，據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以看出，有較好的治療效果。

關(guān)鍵詞：ADHD；腦電波提取算法；STM32；占空比；專注度

1 緒論

1.1 研究背景

現(xiàn)如今，父母在教育孩子時，會發(fā)現(xiàn)一些兒童經(jīng)常無法集中注意力去認(rèn)真做一件事，對于這種現(xiàn)象，醫(yī)學(xué)中稱之為兒童注意力缺陷障礙（多動癥）ADHD[2]?；加羞@種病癥的孩子往往成績差，丟三落四，喜怒無常，使父母在教育問題上煞費苦心。解決這個問題正是設(shè)計本設(shè)備的初衷。

本文提出一種能夠通過鍛煉提高孩子注意力的設(shè)備，使孩子的注意力通過鍛煉得到提高。注意力提高后，孩子的學(xué)習(xí)也能更加專注認(rèn)真，從而解決父母對孩子教育的煩惱。

1.2 研究意義

本課題將腦電波傳感器與單片機信號處理技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計，具有一定的創(chuàng)新和實用性，主要體現(xiàn)在：腦電波的強弱可以反映出一個人的注意力是否集中，眾所周知，注意力的強弱可以后天進(jìn)行訓(xùn)練的，設(shè)備通過訓(xùn)練來增強兒童的注意力，從而達(dá)到輔助治療的效果。

1.3 主要研究內(nèi)容

基于腦電波檢測的兒童注意缺陷障礙（ADHD）[3]輔助治療設(shè)備以STM32F103系列單片機為主控，利用腦電波傳感器提取大腦中的α腦電波（專注度）然后通過藍(lán)牙發(fā)送出去，STM32單片機作為主控通過藍(lán)牙接收腦電波信號，在其內(nèi)通過腦電波提取算法篩選出α腦電波（專注度），之后通過定時器將α腦電波（專注度）處理為實時變化的PWM方波[1]，通過I/O口進(jìn)行輸出，將I/O接入電機驅(qū)動芯片TB6612FNG的PWM引腳，在驅(qū)動芯片電源引腳輸入一定電壓，從而能通過占空比控制輸出電壓的大小，達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

2 輔助治療的實現(xiàn)

2.1 實驗準(zhǔn)備

患者兒童佩戴腦電波獲取儀后，可通過藍(lán)牙實時將腦電波獲取儀收集到的專注度信號發(fā)送給MCU，MCU對信號進(jìn)行處理，從而控制機器人Y的運動。為了達(dá)到訓(xùn)練兒童專注度的目的，設(shè)置有機器人X與機器人Y形成對照，機器人X是MCU對正常兒童的專注度信號進(jìn)行處理，控制其運動。機器人Y為患病兒童，機器人X為正常兒童，機器人X為機器人Y的對照。

2.2 實驗設(shè)計

實驗?zāi)康模禾岣呋疾和膶Ｗ⒍取?/p>

實驗過程：設(shè)置單向、雙賽道，兩賽道距終點路程相同，在相同時間分別將2個機器人放于賽道中，同時啟動，觀察2個機器人到達(dá)終點所需的時間，如果機器人Y到達(dá)終點的時間小于機器人X，則說明達(dá)到訓(xùn)練專注度的目的，為訓(xùn)練合格，反之則認(rèn)為沒達(dá)到訓(xùn)練專注度的目的，訓(xùn)練不合格，如圖1所示。

兒童天生具有愛玩、爭勝的心理，本實驗通過競爭機制不但可以很好地發(fā)揮孩子的天性，同時在玩的過程中也達(dá)到鍛煉的目的，具有一定的趣味性。該設(shè)備雖然可以提高兒童的專注度，但仍存在一些缺陷，在之后的研究中，會對設(shè)備進(jìn)行不斷的完善與改進(jìn)，同時也將深入研究并改進(jìn)競爭機制，提高對兒童的吸引力，對不同性格的兒童設(shè)計不同款式的機器人等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

3.2 腦電波獲取儀介紹

腦電波獲取儀器主要由電極片、TGAM腦波模塊、電池盒、耳夾、藍(lán)牙從機、LED指示燈等組成，如圖3所示。[2]

電極片：用來準(zhǔn)確檢測極微弱的腦電信號。

FGAM腦波模塊：用來測量人體原始腦波信號。

耳夾：用來過濾掉噪聲，具有抗干擾能力。

藍(lán)牙主機：只發(fā)送，不接收。

LED指示燈：用來表示藍(lán)牙連接狀態(tài)?？扉W表示未配對，慢閃表示已配對但目前未與從機連接上。長亮表示已經(jīng)和從機連接上。

3.3藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送

藍(lán)牙HC05是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，簡單地說，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對連接成功后，可以忽視藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙當(dāng)做串口用。HC05可以擔(dān)當(dāng)藍(lán)牙通信中的從機，也可以擔(dān)當(dāng)藍(lán)牙通信中的主機。在設(shè)備中，腦電波傳感器為藍(lán)牙通信中的主機，HC05為通信中的從機。當(dāng)建立連接后，2個設(shè)備共同使用1個通道也就是同1個串口，以相同的波特率，一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。[3]通信過程如圖4所示。

3.4 驅(qū)動電路的設(shè)計

驅(qū)動電路采用TB6612FNG電機控制芯片，TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款直流電機驅(qū)動器件，采用大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2個電機。

TB6612FNG是基于MOSFET的H橋集成電路，其效率高于晶體管H橋驅(qū)動器。相比L293D每通道平均600 mA的驅(qū)動電流和1.2 A的脈沖峰值電流，其輸出負(fù)載能力提高了1倍。相比L298N的熱耗性和外圍二極管續(xù)流電路，它無需外加散熱片，外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動電機，利于減小系統(tǒng)尺寸。對于PWM信號，它支持高達(dá)100 kHz的頻率，本設(shè)備利用STM32單片機的PWM信號輸出引腳與芯片的PWM信號輸入引腳連接。電路原理如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)備的軟件設(shè)計主要使用C語言開發(fā)。以下為各模塊介紹。

4.1 單片機程序設(shè)計

本設(shè)計的程序流程如圖5所示，MCU首先進(jìn)行程序初始化，打開腦電波獲取儀連接MCU，腦電波獲取儀開始發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU提取出專注度發(fā)送到定時器函數(shù)中對占空比進(jìn)行配置，之后通過MCU的I/O口輸出PWM方波信號。程序流程如圖6所示。

4.2 腦電波數(shù)據(jù)分析與處理

4.2.1 數(shù)據(jù)格式的說明

腦波模塊TGAM芯片大約每秒鐘發(fā)送513個包，其中包括512個小包和1個大包。小包數(shù)據(jù)格式為8位，大包為32位，大包和小包的前5位數(shù)據(jù)是不同的，可以根據(jù)條件對大包和小包進(jìn)行區(qū)別。小包的前5位不會變化，后3位分別為2位原始數(shù)據(jù)與1個校驗位。小包的作用是為大包提供原始數(shù)據(jù)[4]。

大包為32位，前4位為說明恒定不變，第5位為傳輸信號的大小，中間部分為說明部分，直到大包倒數(shù)第5位代表專注度，倒數(shù)第4位為專注度強度的大小，倒數(shù)第3位代表放松度，倒數(shù)第2位為放松度強度的大小，最后1位為校驗位。圖7為數(shù)據(jù)包信息說明。

4.2.2 腦電波提取算法

單片機串口接收到串口發(fā)送數(shù)據(jù)后會對其進(jìn)行篩選，最終只接收大包中的數(shù)據(jù)，之后提取出大包中的倒數(shù)第4位數(shù)據(jù)為大腦的專注度，并將其發(fā)送到定時器函數(shù)中，之后當(dāng)作占空比的分子控制占空比的大小，從而控制小車機器人的運行速度。數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計將腦電波與單片機信號控制相結(jié)合，是一個較為新穎的嘗試。腦電波分為多種，分布在不同的頻段，不同頻段的腦電波有不同的名稱，其所發(fā)揮的作用也不一樣。如今腦電波在醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)揮了巨大的作用。而本設(shè)備是基于腦電波中專注度波的設(shè)計，針對（ADHD）兒童神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病研發(fā)，在進(jìn)行藥物治療的同時為兒童更好地集中注意力起到了一定的輔助作用。

通過對5位志愿者患病兒童的訓(xùn)練前專注度平均值與經(jīng)一段時間訓(xùn)練后測得的專注度平均值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其平均專注度由56增加到了81，增加了45%，較好地達(dá)到了訓(xùn)練的目的，對提升專注度有一定的輔助作用。

在之后的研究過程中將對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和完善：以提取出其他頻段腦電波信號，為醫(yī)療服務(wù)，例如β波，也叫放松度，利用腦電波提取算法能夠檢測一個人的睡眠質(zhì)量，輔助醫(yī)生更好地對失眠患者進(jìn)行治療。

參考文獻(xiàn)：

[1]張潔，何文濤，馮華星.基于直流無刷電機的PWM電路設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機，2021（3）：84-88.

[2]李楊，楊金偉，周郁秋，等.注意缺陷多動障礙兒童問題行為及其影響因素分析[J].中國全科醫(yī)學(xué)，2017（29）：3600-3605.

[3]黃羚，王俊宏.兒童注意力缺陷多動障礙（ADHD）治療進(jìn)展[J].中國中醫(yī)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)雜志，2015（7）：909-911.

[4]高楓，魯昊，高諾.基于小波包和共同空間模型的運動想象腦電信號特征提取算法[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究，2019（4）：393-396，409.