一种多模态3d电视健康检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多模态3D电视健康检测系统，包括若干电极、脑电信号采集芯片、眼电信号采集芯片、心电信号采集芯片、CPU控制芯片和上位机评估系统，电极安装在人体体表，脑电信号采集芯片通过电极采集人体脑电信号并传输给CPU控制芯片，眼电信号采集芯片通过电极采集人体眼电信号并传输给CPU控制芯片，心电信号采集芯片通过电极采集人体心电信号并传输给CPU控制芯片，CPU控制芯片对接收信号进行区分和类别划分、并按类别将接收信号传输给上位机评估系统，上位机评估系统利用接收到的数据进行3D电视健康指数分析。本套评估系统专门为3D电视健康评估设计的，同时也可以用于检测人体电信号相同的相关领域中。
【专利说明】-种多模态3D电视健康检测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多模态3D电视健康检测系统，基于生物信号采集芯片检测观看 3D电视时人体的脑电信号、眼电信号和心电信号的生理参数，结合3D电视健康脑电电极布 局和数据处理方法，进行3D电视健康检测。
【背景技术】
[0002] 随着3D电影的不断热映，3D电视的用户每年会急剧增长，据统计到2014年底3D 电视全球出货量将达到9100万台。3D电视显示技术相对于传统的2D电视技术而言，人眼睛 在观看电视时需要始终保持眼部肌肉系统处于紧张状态才能保持精神集中才能有效地观 看3D效果，在观看3D电视的过程中，由于人眼睛在需要始终保持眼部肌肉系统处于紧张状 态，同时由于3D影像左右图像是完全分离的，人脑要始终保持精神集中的状态才能将分离 的影像融合成3D影像，所以观看3D电视非常容易造成疲劳，特别是对儿童和老年人来说， 会引起视力下降、头晕、视线模糊、眼睛或肌肉等出现不自主的抽动、恶心、抽搐、痉挛、方向 障碍，甚至是意识丧失等不适症状。
[0003] 3D电视引起的不良反应越来越引起人们的关注，研究和建立3D电视健康评估体 系也成为社会热点，而现在国内外还没有统一的3D电视评估方法和检测设备。目前主要通 过检测脑电信号，眼电信号，心电信号等人体生理信号参数进行人体进行健康评估；同时国 内外研究人体疲劳的监测方法里，脑电现已成为最广泛的评价中枢神经系统变化的指标之 一，被誉为监测疲劳的金标准，同样EEG信号也是研究3D电视疲劳的有效手段。观看3D电 视过程中所造成的人体不良反应，在多种人体生理信号中会发现变化，所以研究3D电视对 人体的影响时，需要配套多模态的检测和测量系统，而现在还没有专门用于3D电视健康评 估系统的设备。同时，人体在观看3D电视时，人脑区域变化明显有别于其他体系中的脑区 变化规律，国际标准体系中的脑电电极布局方法在一定程度上无法满足检测3D电视的脑 电信号变化规律。
[0004] 由于脑电信号相对于其它人体信号幅值非常微弱，在所有的人体信号中脑电信号 测量难度最大。传统的脑电检测电路非常容易受到外界各种噪声的干扰，在设计脑电信号 检测电路时，在既要保证人体电信号尤其是脑电信号不失真，又要避免外界噪声的干扰，这 导致检测电路本身及电路元件的精度和稳定性要求非常高，从而造成了整体检测系统造价 十分昂贵，不宜在科研开发中使用。同时，目前常用的人体生理信号检测设备大都是专用 性，无法对多信号的生理参数进行测量，并且无法在传统检测设备基础上建立专门用于3D 电视评估的检测设备，更不能在传统检测设备的基础上发现不同人体信号在观看3D电视 时的变化规律。从而可能会导致了无法建立起3D电视专用的评估体系。
[0005] 参考文献：
[0006] [1]李忠强，邢丽冬，于德飞，钱志余等.观看3D电视前后的脑电变化与电极层次 性布局[J].中国生物医学工程学报.2013 (4) :433-439.
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【发明内容】
[0012] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多模态3D电视健康 检测系统，基于生物信号采集芯片检测观看3D电视时人体的脑电信号、眼电信号和心电信 号的生理参数，结合3D电视健康脑电电极布局和数据处理方法，进行3D电视健康检测。
[0013] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0014] -种多模态3D电视健康检测系统，包括若干电极、脑电信号米集芯片、眼电信号 采集芯片、心电信号采集芯片、CPU控制芯片和上位机评估系统，所述电极安装在人体体表， 脑电信号采集芯片通过电极采集人体脑电信号并传输给CPU控制芯片，眼电信号采集芯片 通过电极采集人体眼电信号并传输给CPU控制芯片，心电信号采集芯片通过电极采集人体 心电信号并传输给CPU控制芯片，CPU控制芯片对接收信号进行区分和类别划分、并按类别 将接收信号传输给上位机评估系统，上位机评估系统利用接收到的数据进行3D电视健康 指数分析。
[0015] 优选的，脑电信号采集芯片和眼电信号采集芯片采用RHA2116生物采集芯片，可 同时采集16通道数据，零偏置电压，超低功耗，满足采集系统集成化的设计要求；心电信号 采集芯片ADS1298生物采集芯片，除了上述RH2116的功能外，其还具备了更高的数据分辨 率和心电采集所需的特定端口，满足心电采集的要求和系统集成化设计；CPU控制芯片采 用ARM11芯片，具备了较高的工作主频，满足数据处理的要求，具备最高可接收32位两路 SPI端口通信，可同时接收两种采集芯片的不同字节长度的数据。
[0016] 优选的，CPU控制芯片对接收信号进行区分和类别划分，具体为：每个电极通过一 个通道与脑电信号采集芯片、眼电信号采集芯片或心电信号采集芯片连接，CPU控制芯片接 收到的信号加载有通道信息，同时CPU控制芯片结合接收信息的数值属性和通道信息区分 出接收信息为脑电信号、眼电信号还是心电信号，并将区分出的信号及其相应的类别信息 发送给上位机评估系统。
[0017] 优选的，CPU控制芯片在其接口的基础上可以扩展存储器接口、USB-0TG接口、IXD 触摸屏接口、报警接口等，在CPU控制芯片上设置有与上述接口连接的专用接口和驱动代 码；传统的脑电采集电路需要放大千倍的电路，导致仪器整体成本高昂，而脑电信号全新的 采集方案是利用放大器阵列芯片，只需将信号放大百倍，并配套一相应的16位模数转换器 形成分别率为〇. 01微伏的采集电路，提高检测电路的性能同时，极大降低了仪器的成本。
[0018] 优选的，实验表明人体在观看3D电视过程中，人脑各功能区之间有明显的差异 性，为了便于后期在此差异的基础上更深入地研究脑电对人体的影响[1]，连接脑电信号采 集芯片的电极在人体体表的布局方法如下：在国际标准导联系统[2]的基础上，以视觉枕 区及周边的顶叶区和后颞区为第一层，以额区及周边的前颞区为第二层，以中央区及剩下 脑区为第三层，实现脑电信号的层次化测量。心电采集的导联方式为临床上常用的单极胸 导联。眼电采集采用的是临床眼电检查中常用的双极导联。
[0019] 优选的，上位机评估系统利用接收到的数据进行3D电视健康指数分析，具体为： 利用观看3D电视的脑电信号的实验数据作为主要分析对象，眼电信号和心电信号的实验 数据为次要分析对象，不同信号间进行加权扩大不同信号间的比重，利用统计学分析和统 计最终的3D电视健康指数。借鉴驾驶疲劳和精神疲劳脑电信号的研究方法，利用脑电信号 疲劳的评价参数特征波的相对能量 [3]、脑电α和Θ节律波与β节律波相对能量的比值R 值和脑电α节律波与β节律波相对能量的比值Α/Β[4_6]等评估因子发现观看3D电视脑电 的变化规律，同时结合上述脑电信号电极的布局 [1]方法对不同脑区的脑电信号加权处理， 从而使不同脑区的脑电信号进行层次性分析；眼电信号利用眨眼频率（波形上显示的每分 钟的眨眼次数）等眼动参数，心电信号利用心率（心率=6(V(PP或RR间期））等参数，结 合这两种信号不同的参数间的变化规律，作为对脑电信号变化规律的补充；最终，通过这三 种信号的时域变化趋势以及加权后的计算结果给出人体目前的舒适度状况（比如：是否处 在疲劳状态），利用统计学方法统计分析整个人体观看3D电视的变化规律，从而制定出3D 电视健康评价指数。
[0020] 目前针对3D电视健康的研究也都处于起步阶段，对于健康的评估方法现在仍然 没有一个统一的标准，本套评估系统是专门为3D电视健康评估设计的，同时也可以用于检 测人体电信号相同的相关领域中。
[0021] 有益效果：本发明提供的多模态3D电视健康检测系统，具有如下优点：1、本系统 基于高性能的生物信号采集芯片在一定程度上可以解决了传统检测电路的缺陷，具备更高 的性能和较低的成本；2、观看3D电视的会引起多种生理信号的变化，而传统的多通道生理 记录仪大都采用传统检测电路，无论是成本还是检测性能上无法满足3D电视健康评估系 统的检测要求，本套系统的设计满足了 3D电视多信号采集的要求，综合了多种人体信号研 究人体观看3D电视的变化规律，更加有利于全面分析观看3D电视对人体的影响；3、本套硬 件系统所采集的生物信号为高分别率的数字信号，便于后期对实验数据的处理；4、本套硬 件系统的研究，有利于研究整套的3D电视健康的评估系统，对3D电视的整个研究体系的深 入研究奠定基础；5、在硬件配置的基础上，结合脑电极布局方法，有利于整个3D电视评估 体系和研究方法的建立；6、对不同信号划定主次，在分析实验数据时对不同信号不同的评 价参数间划分层次，有利于区分不同信号及不同参数间变化程度不同。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明整体方案的结构示意图；
[0023] 图2为微控制芯片（CPU控制芯片）的连接结构示意图；
[0024] 图3为脑电/眼电信号采集芯片设计方案；
[0025] 图4为心电信号采集芯片设计方案；
[0026] 图5为生物信号传输流程图；
[0027] 图6为上位机评估系统加权算法示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0029] -种多模态3D电视健康检测系统，包括若干电极、脑电信号米集芯片、眼电信号 采集芯片、心电信号采集芯片、CPU控制芯片和上位机评估系统，所述电极安装在人体体表， 脑电信号采集芯片通过电极采集人体脑电信号并传输给CPU控制芯片，眼电信号采集芯片 通过电极采集人体眼电信号并传输给CPU控制芯片，心电信号采集芯片通过电极采集人体 心电信号并传输给CPU控制芯片，CPU控制芯片对接收信号进行区分和类别划分、并按类别 将接收信号传输给上位机评估系统，上位机评估系统利用接收到的数据进行3D电视健康 指数分析。其中，脑电信号采集芯片和眼电信号采集芯片采用INTAN公司的RHA2116生物 采集芯片，心电信号采集芯片采用TI公司的ADS1298生物采集芯片，CPU控制芯片采用三 星公司的S3C6410的ARM11芯片。
[0030] CPU控制芯片对接收信号进行区分和类别划分，具体为：每个电极通过一个通道 与脑电信号采集芯片、眼电信号采集芯片或心电信号采集芯片连接，CPU控制芯片接收到的 信号加载有通道信息，同时CPU控制芯片结合接收信息的数值属性和通道信息区分出接收 信息为脑电信号、眼电信号还是心电信号，对区分出的信号加载类别信息后发送给上位机 评估系统。
[0031] 实验表明人体在观看3D电视过程中，人脑各功能区之间有明显的差异性，为了便 于后期在此差异的基础上更深入地研究脑电对人体的影响，连接脑电信号采集芯片的电极 在人体体表的布局方法如下：在国际标准导联系统的基础上，以视觉枕区及周边的顶叶区 和后颞区为第一层，以额区及周边的前颞区为第二层，以中央区及剩下脑区为第三层，实现 脑电信号的层次化测量。心电采集的导联方式为临床上常用的单极胸导联。眼电采集采用 的是临床眼电检查中常用的双极导联。
[0032] 上位机评估系统利用接收到的数据进行3D电视健康指数分析，具体为：利用观看 3D电视的脑电信号的实验数据作为主要分析对象，眼电信号和心电信号的实验数据为次要 分析对象，不同信号间进行加权扩大不同信号间的比重，利用统计学分析和统计最终的3D 电视健康指数。借鉴驾驶疲劳和精神疲劳脑电信号的研究方法，利用脑电信号疲劳的评价 参数特征波的相对能量、脑电α和Θ节律波与β节律波相对能量的比值R值和脑电α 节律波与β节律波相对能量的比值Α/Β等评估因子发现观看3D电视脑电的变化规律，同 时结合上述脑电信号电极的布局方法对不同脑区的脑电信号加权处理，从而使不同脑区的 脑电信号进行层次性分析；眼电信号利用眨眼频率（波形上显示的每分钟的眨眼次数）等 眼动参数，心电信号利用心率等参数，结合这两种信号不同的参数间的变化规律，作为对脑 电信号变化规律的补充；最终，通过这三种信号的时域变化趋势以及加权后的计算结果给 出人体目前的舒适度状况（比如：是否处在疲劳状态），利用统计学方法统计分析整个人体 观看3D电视的变化规律，从而制定出3D电视健康评价指数。
[0033] 下面结合实例对本发明做出进一步的说明。
[0034] 如图1所示为基于本发明思想的整体设计方案，整个系统主要分为电极模块、硬 件检测系统和上位机评估系统三部分，各部分的功能如下：
[0035] 电极模块：电极模块：将连接人体体表的电极通过专用的导线连至硬件检测系统 中的生物采集模块输入端口。
[0036] 硬件检测系统：主要包含两部分，即生物采集模块和ARM11微控制器模块；此部分 的功能是利用生物采集模块将人体生理电信号放大，模数转换并传至微控制器，微控制器 利用自身的DDR高速缓存器对数字信号进行分类编码，最后通过USB端口传至上位机评估 系统。
[0037] 上位机评估系统：首先对接收的实验数据进行分类，后按照信号类别和通道的不 同对信号进行滤波等处理，以去除噪声；最后利用特定算法对实验数据做出评价，并自动给 出评估报告；同时，软件系统通过相应的指令可对整个硬件系统进行控制。
[0038] 硬件检测系统和上位机评估系统之间是通过USB端口建立通信，遵循USB2. 0版本 的通信协议；整个硬件检测系统的供电也是由上位机USB端口的电源线进行供电。
[0039] 如图2所示，为微控制芯片（CPU控制芯片）的连接结构示意图，CPU控制芯片主 要连接有存储模块、报警模块、LCD触摸屏模块、USB-0TG通信模块、采集芯片专用接口等， 各个部分的功能如下 ：
[0040] 存储模块：接入NAND-FLASH存储器和DDR高速缓存器专用芯片，用于存储系统的 控制代码及系统高速缓存。
[0041] 报警模块：报警系统主要是对上位机评估系统与硬件检测系统通信异常、硬件检 测系统工作异常及电极脱落等异常状况发出警报。
[0042] LCD触摸屏模块：主要的功能是对硬件检测系统工作的状态进行显示、对系统工 作异常专用代码进行显示、实现对整个硬件检测系统各模块可视化的操作等。
[0043] USB-0TG通信模块：首先，与上位机评估系统建立通信，便于上位机评估系统对整 个硬件测量系统的控制；其次，系统检测的人体信号通过此端口传输至上位机评估系统； 最后，整个系统是由上位机评通过USB-0TG端口的电源线接入供电。
[0044] 采集芯片专用接口 ：此端口主要与生物采集芯片相连，完成对生物采集芯片的控 制和数据的读入；脑电和心电采集芯片主要通过微控制器的SPI 口和其他I/O 口控制，完成 芯片的启动、时钟信号输入和生物信号的接收等。
[0045] 如图3所示为脑电/眼电采集芯片设计方案。本案中，对于脑电/眼电采集电路 的设计方案是利用微弱信号放大器阵列RHA2116和16位模数转换器AD7980组成的采集电 路系统。该系统可正确测量出16通道，最小分别率为0.01微伏的微弱信号，并能够直接输 出数字信号。该模块通过微控制器提供电源，并通过稳压芯片分配给每个模块所需的稳定 电压。微控制器通过相应的端口控制RHA2116和AD7980工作和接收实验数据。
[0046] 如图4所示为心电采集芯片ADS1298的设计原理图，此部分的电源和实例3电路 设计基本一致。唯一的区别是ADS1298是集成化的生物采集芯片，不用添加模数转换模块。 将其与微控制器特定的端口相连后，即可对信号进行采集，并直接输出数字信号。
[0047] 如图5所示，为生物信号的传输流程图，信号采集部分将人体信号传至微控制器 (ARM11微控制器模块）后，由微控制器分三个层次添加通道、信号类别等信息后才能传至 上位机评估系统。具体流程如下：微控制器接收到数字信号后，首先，按照控制信号中规定 的通道序号在相应的数字信号前加入相应的通道信息；加入通道信息后，再按照控制信号 中所对应的生理信号种类的不同，再在前部分通道信息前方加入相对应的信号分类信息； 加入好相应的信号后，微控制器将数据传至相应缓存区，并按设定的数据规则接收若干个 数据后形成特定的数据包类型，后通过USB传至上位机评估系统。后以此过程不断地进行 数据采集和传输。
[0048] 如图6所示，为人体的生物信号通过电极、传感器和CPU控制芯片传输到上位机评 估系统后，上位机评估系统实时监测各种生物信号的变化情况，待信号检测完毕后，实施以 脑电信号为主，心电信号、眼电信号为辅层次性的数据处理方式，主要操作是：1、脑电信号 提取特征波后，计算和分析观看前闭眼和观看后闭眼的特征波的相对能量、R值、A/B值及 其他评估因子的变化情况，心电信号分别统计分析各对应参数的变化情况；2、对脑电信号 按照脑区的不同，分析和比较各评估因子的变化情况与标准状态之间的差异后，按脑区所 在层次的不同，对各评估因子的差异变化进行加权以增大不同层次脑区之间的差异性；3、 待心电等辅助生物信号的相关参数与对应标准之间的变化分析完成后，对不同生物信号间 进行二次加权以增大脑电信号与辅助生物信号间的差异；4、对加权结果进行统计学分析， 并最终计算出3D电视的健康评估指数。
[0049] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种多模态3D电视健康检测系统，其特征在于：包括若干电极、脑电信号采集芯片、 眼电信号采集芯片、心电信号采集芯片、CPU控制芯片和上位机评估系统，所述电极安装在 人体体表，脑电信号采集芯片通过电极采集人体脑电信号并传输给CPU控制芯片，眼电信 号采集芯片通过电极采集人体眼电信号并传输给CPU控制芯片，心电信号采集芯片通过电 极采集人体心电信号并传输给CPU控制芯片，CPU控制芯片对接收信号进行区分和类别划 分、并按类别将接收信号传输给上位机评估系统，上位机评估系统利用接收到的数据进行 3D电视健康指数分析。
2. 根据权利要求1所述的多模态3D电视健康检测系统，其特征在于：脑电信号采集芯 片和眼电信号采集芯片采用RHA2116生物采集芯片，心电信号采集芯片ADS1298生物采集 芯片，CPU控制芯片采用ARM11芯片。
3. 根据权利要求1所述的多模态3D电视健康检测系统，其特征在于：CPU控制芯片对 接收信号进行区分和类别划分，具体为：每个电极通过一个通道与脑电信号采集芯片、眼电 信号采集芯片或心电信号采集芯片连接，CPU控制芯片接收到的信号加载有通道信息，同时 CPU控制芯片结合接收信息的数值属性和通道信息区分出接收信息为脑电信号、眼电信号 还是心电信号，并将区分出的信号及其相应的类别信息发送给上位机评估系统。
4. 根据权利要求1所述的多模态3D电视健康检测系统，其特征在于：连接脑电信号采 集芯片的电极在人体体表的布局方法如下：在国际标准导联系统的基础上，以视觉枕区及 周边的顶叶区和后颞区为第一层，以额区及周边的前颞区为第二层，以中央区及剩下脑区 为第三层，实现脑电信号的层次化测量。
5. 根据权利要求1所述的多模态3D电视健康检测系统，其特征在于：上位机评估系统 利用接收到的数据进行3D电视健康指数分析，具体为：利用观看3D电视的脑电信号的实验 数据作为主要分析对象，眼电信号和心电信号的实验数据为次要分析对象，不同信号间进 行加权扩大不同信号间的比重，利用统计学分析和统计最终的3D电视健康指数。
【文档编号】A61B5/04GK104146701SQ201410351540
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】钱志余, 李忠强, 邢丽冬, 王笑, 王昊文, 张烨 申请人:南京航空航天大学