一種基于腦電波檢測(cè)的兒童注意缺陷障礙（ADHD）輔助治療設(shè)備

摘要：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(gè)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(gè)機(jī)器人進(jìn)行同方向運(yùn)動(dòng)，設(shè)置一定的路程，2個(gè)機(jī)器人同時(shí)運(yùn)動(dòng)，在一定路程中比較2個(gè)機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間。該方法能夠使孩子在娛樂(lè)中，自然的完成對(duì)ADHD的訓(xùn)練，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，有較好的治療效果。

1   緒論

1.1 研究背景

現(xiàn)如今，父母在教育孩子時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些兒童經(jīng)常無(wú)法集中注意力去認(rèn)真做一件事，對(duì)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(dòng)癥）ADHD^[2]。患有這種病癥的孩子往往成績(jī)差，丟三落四，喜怒無(wú)常，使父母在教育問(wèn)題上煞費(fèi)苦心。解決這個(gè)問(wèn)題正是設(shè)計(jì)本設(shè)備的初衷。

本文提出一種能夠通過(guò)鍛煉提高孩子注意力的設(shè)備，使孩子的注意力通過(guò)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(duì)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(jī)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，具有一定的創(chuàng)新和實(shí)用性，主要體現(xiàn)在：腦電波的強(qiáng)弱可以反映出一個(gè)人的注意力是否集中，眾所周知，注意力的強(qiáng)弱可以后天進(jìn)行訓(xùn)練的，設(shè)備通過(guò)訓(xùn)練來(lái)增強(qiáng)兒童的注意力，從而達(dá)到輔助治療的效果。

1.3 主要研究?jī)?nèi)容

基于腦電波檢測(cè)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(jī)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(guò)藍(lán)牙發(fā)送出去，STM32 單片機(jī)作為主控通過(guò)藍(lán)牙接收腦電波信號(hào)，在其內(nèi)通過(guò)腦電波提取算法篩選出α 腦電波（專注度），之后通過(guò)定時(shí)器將α 腦電波（專注度）處理為實(shí)時(shí)變化的PWM 方波^[1]，通過(guò)I/O 口進(jìn)行輸出，將I/O 接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG 的PWM 引腳，在驅(qū)動(dòng)芯片電源引腳輸入一定電壓，從而能通過(guò)占空比控制輸出電壓的大小，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2   輔助治療的實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

患者兒童佩戴腦電波獲取儀后，可通過(guò)藍(lán)牙實(shí)時(shí)將腦電波獲取儀收集到的專注度信號(hào)發(fā)送給MCU，MCU對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而控制機(jī)器人Y 的運(yùn)動(dòng)。為了達(dá)到訓(xùn)練兒童專注度的目的，設(shè)置有機(jī)器人X 與機(jī)器人Y形成對(duì)照，機(jī)器人X 是MCU 對(duì)正常兒童的專注度信號(hào)進(jìn)行處理，控制其運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人Y 為患病兒童，機(jī)器人X 為正常兒童，機(jī)器人X 為機(jī)器人Y 的對(duì)照。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾岣呋疾和膶Ｗ⒍取?/p>

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：設(shè)置單向、雙賽道，兩賽道距終點(diǎn)路程相同，在相同時(shí)間分別將2 個(gè)機(jī)器人放于賽道中，同時(shí)啟動(dòng)，觀察2 個(gè)機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)所需的時(shí)間，如果機(jī)器人Y 到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間小于機(jī)器人X，則說(shuō)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(méi)達(dá)到訓(xùn)練專注度的目的，訓(xùn)練不合格，如圖1 所示。

圖1 訓(xùn)練示意圖

兒童天生具有愛(ài)玩、爭(zhēng)勝的心理，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制不但可以很好地發(fā)揮孩子的天性，同時(shí)在玩的過(guò)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(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行不斷的完善與改進(jìn)，同時(shí)也將深入研究并改進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，提高對(duì)兒童的吸引力，對(duì)不同性格的兒童設(shè)計(jì)不同款式的機(jī)器人等。

3   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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(jī)、LED 指示燈等組成，如圖3所示。^[2]

電極片：用來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)極微弱的腦電信號(hào)。

FGAM 腦波模塊：用來(lái)測(cè)量人體原始腦波信號(hào)。

耳夾：用來(lái)過(guò)濾掉噪聲，具有抗干擾能力。

藍(lán)牙主機(jī)：只發(fā)送，不接收。

LED 指示燈：用來(lái)表示藍(lán)牙連接狀態(tài)。快閃表示未配對(duì)，慢閃表示已配對(duì)但目前未與從機(jī)連接上。長(zhǎng)亮表示已經(jīng)和從機(jī)連接上。

圖3 腦電波獲取儀

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(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)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(jī)，也可以擔(dān)當(dāng)藍(lán)牙通信中的主機(jī)。在設(shè)備中，腦電波傳感器為藍(lán)牙通信中的主機(jī)，HC05為通信中的從機(jī)。當(dāng)建立連接后，2 個(gè)設(shè)備共同使用1個(gè)通道也就是同1 個(gè)串口，以相同的波特率，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。^[3] 通信過(guò)程如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送

3.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

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

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(dòng)器。相比L293D 每通道平均600 mA 的驅(qū)動(dòng)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(wú)需外加散熱片，外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利于減小系統(tǒng)尺寸。對(duì)于PWM 信號(hào)，它支持高達(dá)100 kHz 的頻率，本設(shè)備利用STM32 單片機(jī)的PWM 信號(hào)輸出引腳與芯片的PWM 信號(hào)輸入引腳連接。電路原理如圖5 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要使用C 語(yǔ)言開發(fā)。以下為各模塊介紹。

4.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(shí)器函數(shù)中對(duì)占空比進(jìn)行配置，之后通過(guò)MCU 的I/O 口輸出PWM 方波信號(hào)。程序流程如圖6 所示。

圖6 程序流程

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(shuō)明

腦波模塊TGAM 芯片大約每秒鐘發(fā)送513 個(gè)包，其中包括512 個(gè)小包和1 個(gè)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(duì)大包和小包進(jìn)行區(qū)別。小包的前5 位不會(huì)變化，后3 位分別為2 位原始數(shù)據(jù)與1 個(gè)校驗(yàn)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(shuō)明恒定不變，第5 位為傳輸信號(hào)的大小，中間部分為說(shuō)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(qiáng)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(qiáng)度的大小，最后1 位為校驗(yàn)位。圖7 為數(shù)據(jù)包信息說(shuō)明。

圖7 腦電波數(shù)據(jù)格式

4.2.2 腦電波提取算法

單片機(jī)串口接收到串口發(fā)送數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)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(shí)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(jī)器人的運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)處理流程如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程

5   結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將腦電波與單片機(jī)信號(hào)控制相結(jié)合，是一個(gè)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(jì)，針對(duì)（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(shí)為兒童更好地集中注意力起到了一定的輔助作用。

通過(guò)對(duì)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(shí)間訓(xùn)練后測(cè)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(duì)提升專注度有一定的輔助作用。

在之后的研究過(guò)程中將對(duì)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(hào)，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(cè)一個(gè)人的睡眠質(zhì)量，輔助醫(yī)生更好地對(duì)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(wú)刷電機(jī)的PWM電路設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2021(3):84-88.

[2]李楊,楊金偉,周郁秋,等.注意缺陷多動(dòng)障礙兒童問(wèn)題行為及其影響因素分析[J].中國(guó)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(dòng)障礙(ADHD)治療進(jìn)展[J].中國(guó)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(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)特征提取算法[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2019(4):393-396,409.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）