穿戴式脑电注意力训练仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种穿戴式脑电注意力训练仪，通过微型投影仪在距人眼2米处产生虚拟屏幕，为注意力训练提供视频刺激信号。通过音频接口输出音频信号，为注意力训练提供背景音乐和训练指导语等音频刺激信号。通过旋转调节杆和伸缩调节杆，把脑电电极置于脑的前额部。脑电电极将采集的脑电波信号送入嵌入式处理单元，嵌入式处理单元对脑电波信号进行频谱分析，取出反映大脑注意力集中程度的β波成分，对注意力训练进行神经反馈，并把数据通过无线数据接口，传送到人机交互设备上。本实用新型使用脑电作为注意力训练的反馈信号，大大提高了注意力训练的效率和可靠性。使用穿戴式电脑，排除了很多不必要的干扰因素，改善了训练环境。
【专利说明】穿戴式脑电注意力训练仪
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于心理学生物反馈【技术领域】，涉及一种穿戴式脑电注意力训练仪。
【背景技术】
[0002] 注意力反映了人对某些事物的专注能力。从事不同职业的人，对专注能力有不同 的要求。学生在课堂上，注意力好，就能充分吸收老师讲课的内容，提高学习效率。很多学 生，学习不好，不是智力问题而是不能很好地掌控自己的注意力。飞行员，驾驶员，各种操控 台的控制人员等都对专注力和注意力的持续能力有不同的要求。注意力出问题，就会出事 故。利用脑电波可以监测受训者注意力的高低。
[0003] 大脑神经活动时会产生微弱的电场波动，当数以万计的神经同时活动时，电场就 会产生有韵律的波动。从头皮上就能测量到这种波动，这就是脑电波。脑电波具有如下的特 点：它是中枢神经系统自发产生的生物电信号；它是随机信号，具有非平稳和非高斯特性； 能够反映神经系统的状态和变化。因此，采集脑电波，通过分析可以监测人的生理和心理状 态。
[0004] 非介入式脑电采集技术比较复杂，因为采集到的信号是微伏级的小信号，很容易 受噪声的干扰，要对信号进行精准的放大，滤波等处理。为了使用脑电来反映人体的生理和 心理状态，还要对信号进行频谱分析。国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以 下四个频段：
[0005] α波：8-13Hz，幅度在50 μ V左右，主要反映人处于松弛且闭眼清醒的状态。
[0006] β波：13--30Ηζ，幅度在5 - 20μ V，主要反映人处在注意力集中或情绪紧张的状 态。
[0007] Θ波：4-8Ηζ，幅度在10 - 50 μ V，主要反映人处于轻睡状态下、困倦时，感情压 抑时。
[0008] δ波：1--3. 5Hz，幅度在20-200 μ V主要反映人处于深度睡眠的状态或者有严重 器质性脑疾患。
[0009] 以前，脑电采集处理设备体积庞大，现在脑电信号的采集，处理，频谱分析等工作 可由单芯片来完成，为便携式脑电测试设备提供了技术基础。脑电注意力训练设备由此产 生。
[0010] 现有的脑电注意力训练设备，音视频刺激信号多由普通的计算机或音视频设备提 供。体积大，使用不方便。对训练效果的评估，多依据人自己的感受或间接的、简单的一些 生理参数，如皮电，心率等来反映。
[0011]另一方面，随着半导体技术的发展，计算机体积越来越小，功耗越来越低。而采用 虚像技术，可以制造出微型显示器。这些技术的发展促进了穿戴式电脑的发展。穿戴式电脑 可以做成眼镜，也可以做成手表或做在衣服里。目前市场上出售的眼镜式电脑，有google， Recon等公司的产品，主要用于娱乐领域，价格较高，供货量少，不便于二次开发。
【发明内容】
[0012] 本实用新型就是为了解决上述现有技术中的问题，而提供一种将穿戴式电脑用于 脑电注意力训练的穿戴式脑电注意力训练仪。
[0013] 本实用新型是按以下技术方案实现的：
[0014] 本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪，包括具有一个镜框和左右两个镜腿部的 镜架；镜框的两个镜片孔内对称地安装有两片透镜，第一镜腿部的前端设置有微型投影仪； 微型投影仪与设置在镜腿部的嵌入式处理单元连接，嵌入式处理单元作为中央处理器，周 围连接有带有前置放大器的脑电电极、参考电极、音频接口、无线数据接口、按键模块以及 电源模块；按键模块设置在第二镜腿部，并设有三个按键，分别是前进键、倒退键和暂停键； 参考电极位于第一镜腿部的钩耳部处；嵌入式处理单元内部设置有滤波放大器、AD采集模 块和频谱分析模块；脑电电极将采集的脑电波信号送入嵌入式处理单元，嵌入式处理单元 经频谱分析，取出反映大脑注意力集中程度的β波成分，对注意力训练进行神经反馈，并 把数据通过无线数据接口，传送到人机交互设备上。
[0015] 第一镜腿部上设置有突出的旋转轴，旋转轴上连接有旋转调节杆，旋转调节杆可 绕旋转轴转动，旋转调节杆的内部连接有伸缩调节杆，伸缩调节杆从旋转调节杆的上端伸 出，顶向内弯曲，并连接脑电电极。
[0016] 微型投影仪以铰接的方式连接在第一镜腿部的前端。
[0017] 本实用新型具有的优点和积极效果是：
[0018] 本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪，使用脑电作为注意力训练的反馈信号， 检测受训者脑电的β波，进行生物反馈，对训练效果进行科学的评价，大大提高了注意力 训练的效率和可靠性。使用穿戴式电脑，为注意力训练提供视频和音频的刺激信号并对整 个训练过程进行控制，及时地处理、存贮并传输数据，使用方便。采用非透射式透镜，使受训 者只能看到电脑的屏幕，排除了很多不必要的干扰因素，避免了环境对受训者的干扰，提高 了训练效果。该注意力训练仪成本低，且便于二次开发。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪的结构示意图；
[0020] 图2是本实用新型的第一镜腿部的结构示意图；
[0021] 图3是本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪的电路原理框图；
[0022] 图4是脑电的四种不同频段的波的波形图；
[0023] 图中主要部件符号说明：
[0024] 1 :镜框 2 :第一镜腿部
[0025] 3 :第二镜腿部 4 :透镜
[0026] 5:伸缩调节杆 6:脑电电极
[0027] 7:参考电极 8:微型投影仪
[0028] 9:电源模块 10 :前进键
[0029] 11 :倒退键 12 :暂停键
[0030] 13 :旋转调节杆 14 :嵌入式处理单元
[0031] 15:音频接口 16:无线数据接口
[0032] 17 :按键模块。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合附图和【具体实施方式】对本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪进行详 细描述，附图中与现有技术相同的部件采用了相同的标号。下述各实施例仅用于说明本实 用新型而并非对本实用新型的限制。
[0034] 图1是本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪的结构示意图；图2是本实用新型 的第一镜腿部的结构示意图。如图1和图2所示，本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪， 包括具有一个镜框1和左右两个镜腿部的镜架。镜框1的两个镜片孔内对称地安装有两片 透镜4。
[0035] 第一镜腿部2的前端设置有微型投影仪8,微型投影仪8以铰接的方式连接在第一 镜腿部2的前端。第一镜腿部2的前半部分设置有嵌入式处理单元14。第一镜腿部2上嵌 入式处理单元14的后方设置有突出的旋转轴，旋转轴上连接有旋转调节杆13,旋转调节杆 13可绕旋转轴转动，旋转调节杆13的内部连接有伸缩调节杆5,伸缩调节杆5从旋转调节 杆13的上端伸出，顶端向内弯曲，并连接脑电电极6。脑电电极的采样率为512Hz，采集频 率范围在3Hz-100Hz之间。第一镜腿部2后端的的钩耳部处设置有参考电极7。
[0036] 第二镜腿部3的前半部分设置有按键模块17,按键模块内设有三个按键，分别是 前进键10、倒退键11和暂停键12。按键模块17的后方设置有电源模块9。
[0037] 第一镜腿部2和第二镜腿部3的下侧均设置有音频接口 15。第一镜腿部2的下侧 还设置有无线数据接口 16。
[0038] 图3是本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪的电路原理框图。如图3所示，微 型投影仪8与嵌入式处理单元14连接，嵌入式处理单元14作为中央处理器，周围分别与带 有前置放大器的脑电电极6、参考电极7、音频接口 15、无线数据接口 16、按键模块17以及 电源模块9。电源模块9为整个电路提供电源。嵌入式处理单元内部设置有滤波放大器、 AD采集模块和频谱分析模块。
[0039] 本实用新型所依据的原理如下：人的不同精神状态会造成不同形式的神经活动， 从而发出不同的脑电波，借助传感器就能测量得到这种脑电波，并将其转换成电信号。这就 像用手机录制一首管弦乐一样，每种乐器都产生自己的声音，这些加在一起就产生了管弦 乐。手机可以用来记录这些声波，并将他们转化成电子信号。
[0040] 为了使用脑电来反映人体的生理和心理状态，还要对信号进行频谱分析。如图4 所示，国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段：
[0041] α波：8-13Hz，幅度在50μ V左右，主要反映人处于松弛且闭眼清醒的状态。
[0042] β波：13-30Ηζ，幅度在5 - 20μ V，主要反映人处在注意力集中或情绪紧张的状 态。
[0043] Θ波：4-8Ηζ，幅度在10 - 50 μ V，主要反映人处于轻睡状态下、困倦时，感情压 抑时。
[0044] δ波：1--3. 5Hz，幅度在20-200 μ V主要反映人处于深度睡眠的状态或者有严重 器质性脑疾患。
[0045] 注意力反映了人对某些事物的专注能力。从事不同职业的人，对专注能力有不同 的要求。学生在课堂上，注意力好，就能充分吸收老师讲课的内容，提高学习效率。很多学 生，学习不好，不是智力问题而是不能很好地掌控自己的注意力。飞行员，驾驶员，各种操控 台的控制人员等都对专注力和注意力的持续能力有不同的要求。注意力出问题，就会出事 故。脑电的β波成分反映了受训人注意力的高低，利用脑电的β波成分进行生物反馈训 练和对训练效果进行评估。
[0046] 本实用新型的穿戴式脑电注意力训练仪的工作过程如下：
[0047] 通过微型投影仪8在距人眼2米处产生25英寸，4:3的虚拟屏幕，为注意力训练提 供视频刺激信号。通过音频接口 15输出音频信号，为注意力训练提供背景音乐和训练指导 语等音频刺激信号。通过旋转调节杆13和伸缩调节杆5,把脑电电极6置于脑的前额部。 带有前置放大器的脑电电极6采集经放大的电信号，并与参考电极7发出的电波信号进行 比较，将属于脑电波的电信号送入嵌入式处理单元14,嵌入式处理单元对脑电波信号再次 进行滤波放大，并进行AD转换和频谱分析，取出反映大脑注意力集中程度的β波成分，即 频率在13-30ΗΖ，幅度在5 - 20 μ V的波形成分，对注意力训练进行神经反馈，并把数据通 过无线数据接口 16,传送到人机交互设备上。本实用新型使用脑电作为注意力训练的反馈 信号，大大提高了注意力训练的效率和可靠性。使用穿戴式电脑，排除了很多不必要的干扰 因素，改善了训练环境。
[〇〇48] 本实用新型的脑电电极能直接连接干接触点，不像传统医学用的湿传感器使用时 需要上导电胶。产品整体能耗低，3. 3伏供电下最大消耗为15毫安，适合便携式消费产品的 电池供电的设备。
【权利要求】
1. 一种穿戴式脑电注意力训练仪，包括具有一个镜框（1)和左右两个镜腿部的镜架； 其特征在于：镜框（1)的两个镜片孔内对称地安装有两片透镜（4)，第一镜腿部（2)的前端 设置有微型投影仪（8);微型投影仪（8)与设置在镜腿部的嵌入式处理单元（14)连接，嵌入 式处理单元（14)作为中央处理器，周围连接有带有前置放大器的脑电电极（6)、参考电极 (7)、音频接口（ 15)、无线数据接口（ 16)、按键模块（17)以及电源模块（9);按键模块设置在 第二镜腿部（3)，并设有三个按键，分别是前进键（10)、倒退键（11)和暂停键（12);参考电 极（7)位于第一镜腿部的钩耳部处；嵌入式处理单元（14)内部设置有滤波放大器和AD采 集模块；第一镜腿部上设置有突出的旋转轴，旋转轴上连接有旋转调节杆（13)，旋转调节 杆（13 )可绕旋转轴转动，旋转调节杆（13 )的内部连接有伸缩调节杆（5 )，伸缩调节杆（5 )从 旋转调节杆（13 )的上端伸出，顶端向内弯曲，并连接脑电电极（6 )。
【文档编号】A61B5/0476GK203885496SQ201320858160
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】白学军, 杨海波, 曾力, 胡振慧 申请人:天津师范大学