一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置

本发明属于可穿戴设备领域，具体涉及一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置。

背景技术：

1、当驾驶员经过长时间不间断地驾驶车辆，大脑的注意力和反应力会显著下降，从而导致驾驶员的驾驶操作水平大幅下降，极易造成严重的交通事故，对人民的生命财产安全带来很大的隐患。

2、脑电信号主要用于评估大脑状态和功能，常用于癫痫、中风等脑类疾病的辅助诊断，是评估中枢神经系统变化的重要依据。基于脑电信号的疲劳驾驶检测技术，可以反映大脑的即时状态、避免人为主观性的影响，是众多疲劳检测手段中最具客观性、准确性的一种检测方法。

3、由于驾驶员身体需要经常活动来完成驾驶操作，传统的脑电采集设备会因为头部活动等因素导致脑电信号电极发生松动脱落的现象，影响设备对驾驶员疲劳状态检测的效果。因此本发明设计了一种具有电极自贴合功能的便携式脑电采集装置，并将装置与眼镜结构框架相结合，从而实现便携稳定的脑电信号采集与疲劳状态检测。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明设计了一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，目的在于保证脑电电极贴合良好的情况下，实时采集脑电信号并转换为数字数据传输到数据处理终端。脑电采集眼镜是以眼镜结构为基础，提供一种可穿戴式脑电数据采集装置，并将脑电数据传输到数据处理终端进行信号分析来检测佩戴者是否处于疲劳状态。

2、一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，包括眼镜框架、电极、伸缩带和主控盒；其中主控盒包括脑电采集装置、可控伸缩装置、主控装置、加速度检测装置和数据传输装置，通过主控盒中各个装置的协同工作，完成电极松动脱落后的自贴合功能与脑电信号数据采集功能。

3、进一步的，所述眼镜框架上设有6个电极安装接口，分别在眼镜框架的鼻梁两侧、眼镜框架的两侧镜框上方以及眼镜框架两侧眼镜脚转折处；第一电极和第二电极安装在眼镜框架鼻梁两侧的电极安装接口内，采集鼻梁两侧的脑电信号；第二电极和第三电极安装在眼镜框架两侧镜框上方的电极安装接口内，采集额头两侧的脑电信号；电极安装接口与眼镜框架通过第一延长杆件和第二延长杆件连接，使得电极能在所要求的测量位置范围内，同时可通过调整延长杆件的转动角度使电极更好地贴合皮肤；第一伸缩带、第二伸缩带、第三伸缩带与主控盒内部的可控伸缩装置相连；且伸缩带的末端均开有小孔，通过小孔伸缩带和对应的电极接口通过螺栓固定。

4、进一步的，所述脑电采集装置采用ads1299脑电采集芯片，采用四通道的脑电信号输入，以及一个参考信号输入和一个偏置信号输入；使用ads1299内部的24位高分辨率模数转换模块将原始的脑电模拟信号转换为数字信号，并通过spi总线将数据传输到主控装置中，同时ads1299芯片支持电极输入阻抗检测，通过激励电路输出微弱电流来检测电极和头皮的接触阻抗，从而判断脑电电极与头皮是否贴合良好。

5、进一步的，所述主控装置采用stm32f411作为主控芯片，实现整个系统的协调控制与数据处理；主控装置与脑电采集装置采用spi总线连接，完成脑电采集参数的设置和脑电数据的读取。

6、进一步的，所述加速度检测装置采用lsm6ds3tr芯片，该芯片可检测x、y、z轴的三个维度加速度数据；加速度检测装置与主控装置采用spi总线连接；通过该芯片能实时采集驾驶过程中驾驶员的加速度数据，通过spi总线将加速度数据传输给主控装置，主控装置对加速度进行特征提取，将三轴的加速度ax、ay、az矢量相加后，减去正常静止状态下的重力加速度g，取模后得到特征输出值p：

7、

8、若p超过指定阈值，则认为佩戴者具有明显的运动，进而实现佩戴者是否存在头部或身体运动的检测。

9、进一步的，所述可控伸缩装置由主控装置通过指令控制，控制该装置的伸长和收缩；可控伸缩装置包括第一伸缩带、第二伸缩带、第三伸缩带，且伸缩带采用柔性材料，可在佩戴时贴合人的大脑形状，完成电极贴合功能；可控伸缩装置与主控装置采用uart连接，通过主控装置内置的pid算法，实现可控伸缩装置的动态调整，避免佩戴者产生不适。

10、进一步的，所述数据传输装置采用nrf52832蓝牙芯片，数据传输装置与主控装置采用uart通信进行连接，实现串口透传，用于将脑电采集装置采集的数据与外部的数据处理终端进行通信。

11、进一步地，本发明装置的实现方法如下：

12、步骤1、主控装置初始化脑电采集装置，配置采样率、分辨率、信号增益等脑电采集参数；初始化数据传输装置完成蓝牙连接；初始化加速度检测装置，开始加速度数据采集并通过spi总线传输给主控装置；

13、步骤2、脑电采集装置开启阻抗检测功能，通过激励电路输出微弱电流检测电极与佩戴者皮肤的接触阻抗数据，并将接触阻抗数据传回主控装置；

14、步骤3、主控装置接收接触阻抗数据，若采集到的接触阻抗数据符合设定阈值，则直接跳转到步骤4，若接触阻抗数据不符合设定阈值，则使用pid算法进行计算，动态调控可控伸缩装置，直到脑电采集装置采集到的接触阻抗数据符合设定的阈值并关闭脑电采集装置的阻抗检测功能和可控伸缩装置的功能；

15、步骤4、主控装置开启脑电采集装置的数据读取功能，脑电采集装置将微弱的脑电信号进行增益滤波并转换成数字信号，通过spi总线传递给主控装置；主控装置接收到脑电数据，对脑电数据进行预处理，将16进制补码数据转换为以微伏为单位的实际电压数据，并将电压数据进行数据组帧，通过uart传递给数据传输装置，数据传输装置通过低功耗蓝牙传递给外接的数据接收终端进行处理；

16、步骤5、若主控装置通过处理加速度数据检测到佩戴者出现身体活动，则跳转至步骤2继续执行。

17、本发明相对于现有技术具有以下优点：

18、1.设计了基于可控伸缩装置的脑电电极自贴合设备，保持了脑电采集电极与佩戴者皮肤的贴合良好，增强了对于不同人群的适用性，有利于贴合不同头型的人群，并具有稳定性，解决了传统脑电设备需要被测人员需要保持静息态的问题。

19、2.设计了通过加速度传感器来检测佩戴者是否发生身体活动的功能，并在发生活动后再次开启电极自贴合的功能，保持了脑电采集电极在多次活动下可一直保持贴合良好。

20、3.采用pid算法基于接触阻抗数据控制可控伸缩装置，在保证电极接触良好的情况下最大限度地保持了佩戴者的舒适性。

技术特征：

1.一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于包括眼镜框架、电极、伸缩带和主控盒；其中主控盒包括脑电采集装置、可控伸缩装置、主控装置、加速度检测装置和数据传输装置，通过主控盒中各个装置的协同工作，完成电极松动脱落后的自贴合功能与脑电信号数据采集功能。

2.根据权利要求1所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于眼镜框架上设有6个电极安装接口，分别在眼镜框架的鼻梁两侧、眼镜框架的两侧镜框上方以及眼镜框架两侧眼镜脚转折处；第一电极和第二电极安装在眼镜框架鼻梁两侧的电极安装接口内，采集鼻梁两侧的脑电信号；第二电极和第三电极安装在眼镜框架两侧镜框上方的电极安装接口内，采集额头两侧的脑电信号；电极安装接口与眼镜框架通过第一延长杆件和第二延长杆件连接，使得电极能在所要求的测量位置范围内，同时可通过调整延长杆件的转动角度使电极更好地贴合皮肤；第一伸缩带、第二伸缩带、第三伸缩带与主控盒内部的可控伸缩装置相连；且伸缩带的末端均开有小孔，通过小孔伸缩带和对应的电极接口通过螺栓固定。

3.根据权利要求2所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于所述脑电采集装置采用ads1299脑电采集芯片，采用四通道的脑电信号输入，以及一个参考信号输入和一个偏置信号输入；使用ads1299内部的24位高分辨率模数转换模块将原始的脑电模拟信号转换为数字信号，并通过spi总线将数据传输到主控装置中，同时ads1299芯片支持电极输入阻抗检测，通过激励电路输出微弱电流来检测电极和头皮的接触阻抗，从而判断脑电电极与头皮是否贴合良好。

4.根据权利要求3所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于所述主控装置采用stm32f411作为主控芯片，实现整个系统的协调控制与数据处理；主控装置与脑电采集装置采用spi总线连接，完成脑电采集参数的设置和脑电数据的读取。

5.根据权利要求4所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于所述加速度检测装置采用lsm6ds3tr芯片，该芯片可检测x、y、z轴的三个维度加速度数据；加速度检测装置与主控装置采用spi总线连接；通过该芯片能实时采集驾驶过程中驾驶员的加速度数据，通过spi总线将加速度数据传输给主控装置，主控装置对加速度进行特征提取，将三轴的加速度ax、ay、az矢量相加后，减去正常静止状态下的重力加速度g，取模后得到特征输出值p：

6.根据权利要求5所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于所述可控伸缩装置由主控装置通过指令控制，控制该装置的伸长和收缩；可控伸缩装置包括第一伸缩带、第二伸缩带、第三伸缩带，且伸缩带采用柔性材料，可在佩戴时贴合人的大脑形状，完成电极贴合功能；可控伸缩装置与主控装置采用uart连接，通过主控装置内置的pid算法，实现可控伸缩装置的动态调整，避免佩戴者产生不适。

7.根据权利要求6所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于所述数据传输装置采用nrf52832蓝牙芯片，数据传输装置与主控装置采用uart通信进行连接，实现串口透传，用于将脑电采集装置采集的数据与外部的数据处理终端进行通信。

8.根据权利要求7所述的一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置，其特征在于该装置的实现方法如下：

技术总结
本发明公开了一种具有电极自贴合功能的脑电采集眼镜装置。本发明包括眼镜框架、电极、伸缩带和主控盒；其中主控盒包括脑电采集装置、可控伸缩装置、主控装置、加速度检测装置和数据传输装置，通过主控盒中各个装置的协同工作，完成电极松动脱落后的自贴合功能与脑电信号数据采集功能。本发明设计基于可控伸缩装置的脑电电极自贴合设备，保持了脑电采集电极与佩戴者皮肤的贴合良好，增强了对于不同人群的适用性，有利于贴合不同头型的人群，并具有稳定性，解决了传统脑电设备需要被测人员需要保持静息态的问题。同时通过加速度传感器来检测佩戴者是否发生身体活动的功能，并在发生活动后再次开启电极自贴合的功能。

技术研发人员：戴国骏,王金涛,吴靖,唐杨杰,张桦,吴以凡
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12