腦電波傳感器的應(yīng)用與研究

黨珂　鄧浩　薛爭(zhēng)爭(zhēng)　趙松杰　邢博

摘要：針對(duì)目前市面上的輔助睡眠工具使用效果不佳，提出了一種將信息收集與智能控制相結(jié)合的腦電波系統(tǒng)應(yīng)用于輔助睡眠上，并研究設(shè)計(jì)了通過(guò)監(jiān)測(cè)收集人體腦電波從而控制設(shè)備播放輔助睡眠的對(duì)應(yīng)音頻達(dá)到輔助睡眠的效果，從而為失眠人群提供一種全新的輔助睡眠方式。

關(guān)鍵詞：腦電波;助眠

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）20-0177-02

1緒論

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的快速發(fā)展，信息交互、智能控制等行業(yè)的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，為了使其得到快速發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注與研究。眾所周知，人腦中有許多的神經(jīng)細(xì)胞在活動(dòng)著，而成電器性的變動(dòng)。也就是說(shuō)，有電器性的擺動(dòng)存在。而這種擺動(dòng)呈現(xiàn)在科學(xué)儀器上，看起來(lái)就像波動(dòng)一樣。腦中的電器性震動(dòng)我們稱(chēng)之為腦波。用一句話(huà)來(lái)說(shuō)明腦波的話(huà)，或許可以說(shuō)它是由腦細(xì)胞所產(chǎn)生的生物能源，或者是腦細(xì)胞活動(dòng)的節(jié)奏。目前Mindwave腦電波傳感器多被應(yīng)用于開(kāi)發(fā)和商業(yè)游戲中，由于其操作性簡(jiǎn)單，性能可靠繼而受到廣大消費(fèi)者的青睞。Mindwave是一款通過(guò)腦電波進(jìn)行觸發(fā)的藍(lán)牙外設(shè)，主要用于接收佩戴者的腦波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)為控制指令。在使用過(guò)程中，設(shè)備可以檢測(cè)到用戶(hù)腦電波信號(hào)的強(qiáng)弱和頻率等信息。繼而將這類(lèi)信號(hào)反饋到智能移動(dòng)設(shè)備上，就可以操作控制與其配套的設(shè)備與相關(guān)應(yīng)用?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)：在腦電圖上，大腦可產(chǎn)生四類(lèi)腦電波。當(dāng)處于緊張狀態(tài)下，大腦產(chǎn)生的是β波;當(dāng)處于睡意朦朧時(shí)，腦電波就變成θ波;進(jìn)入深睡時(shí)，變成δ波;當(dāng)身體處于放松，大腦活躍，靈感不斷的時(shí)候，就導(dǎo)出了α腦電波。本文則是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)通過(guò)Mindwave傳感器智能控制三個(gè)小燈及設(shè)備內(nèi)置揚(yáng)聲器，輔助失眠者盡快進(jìn)入睡眠中，我們根據(jù)失眠者的不同情況將失眠程度分為三級(jí)：輕度、中度以及重度，并播放相應(yīng)頻率的音頻來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助睡眠的效果。

2系統(tǒng)介紹

基于Mindwave傳感器的人體助眠系統(tǒng)如圖一所示。系統(tǒng)包括Mimdwave傳感器、Arduin。、一個(gè)揚(yáng)聲器和三個(gè)小燈。操作者將Mindwave傳感器中的TGAM模塊用于收集腦部信號(hào)并與藍(lán)牙模塊連接，藍(lán)牙模塊通過(guò)串口通信將收集到腦部信息傳給中央控制系統(tǒng)，之后通過(guò)中央控制器發(fā)送指令控制揚(yáng)聲器播放音頻，控制相應(yīng)小燈亮起顯示睡眠狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)助眠以及監(jiān)測(cè)睡眠的效果。

3過(guò)程

3.1操作過(guò)程

Mindwave通過(guò)TGAM模塊進(jìn)行腦電波的收集與分析，為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)意念來(lái)進(jìn)行音樂(lè)的播放，疲勞提醒等功能，并且利用Mimdwave中的TGAM模塊配套的軟件開(kāi)發(fā)工具包設(shè)計(jì)并建立TGAM模塊與藍(lán)牙模塊的信息交互，對(duì)腦電波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分析處理，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，將分析獲得的數(shù)據(jù)與平均值對(duì)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中央控制器對(duì)音樂(lè)播放器進(jìn)行指令控制，實(shí)現(xiàn)了有效性地播放效果并將收集分析好的信息通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行串口通信傳輸?shù)街醒肟刂破髦羞M(jìn)行反饋，由中央控制器再進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)化并向各個(gè)模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)指令從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整體運(yùn)行。

3.2運(yùn)行過(guò)程

本系統(tǒng)主要采用Arduino實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制與信息交互。將各個(gè)部件進(jìn)行組裝與連接安置在人腦上，當(dāng)Mindwave檢測(cè)到腦電波時(shí)，Mindwave中的TGAM會(huì)及時(shí)收集腦電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)化，通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行串口通信將腦電信息輸入到Arduino，Arduin。進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，將信息傳輸?shù)礁鱾€(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)指令的執(zhí)行，例如指令信息傳輸?shù)綋P(yáng)聲器，揚(yáng)聲器會(huì)根據(jù)指令播放相應(yīng)的音頻，達(dá)到助眠的效果。當(dāng)音頻播放的同時(shí)，小燈會(huì)根據(jù)播放的音頻以及腦電波的頻率起伏亮起相應(yīng)的小燈，以此來(lái)顯示使用者現(xiàn)在處于什么狀態(tài)之中。

4系統(tǒng)硬件

4.1 Mindwave

Mindwave它是神念科技的一款產(chǎn)品，能提取用戶(hù)的腦波信息并進(jìn)行量化分析，在此基礎(chǔ)上完成相應(yīng)的開(kāi)發(fā)。此外它還包括檢測(cè)人體腦部前額的干電極、耳部的參考電極、核心模塊TGAM（ ThinkGear ASIC Module）。本設(shè)計(jì)中主要利用NeuroSkyeSense專(zhuān)利算法，解析使用者的腦部狀況eSense參數(shù)，其取值范圍在0-100之間。

4.2 Arduino

Arduino與其他微控制器平臺(tái)相比Arduino價(jià)格相對(duì)較便宜，Arduino可在Winclows、Mac和Linux平臺(tái)上進(jìn)行操作，包含開(kāi)源工具和擴(kuò)展軟件，相對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)更加易于掌握與操作。

4.3藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信開(kāi)放的全球規(guī)范。本文選取HC-06藍(lán)牙，通過(guò)杜邦線(xiàn)與中央控制器相連，藍(lán)牙的TXD與中央控制器RX端口相接，藍(lán)牙的RXD與中央控制器TX端口相連。

4.4揚(yáng)聲器

其引腳與中央控制器I/O連接，繼而受中央控制器的控制，當(dāng)中央控制器發(fā)送指令時(shí)，揚(yáng)聲器就會(huì)立即響應(yīng)，繼而實(shí)現(xiàn)音頻的播放，輔助患者逐漸進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

4.5小燈

三只小燈與面包板相連，利用基礎(chǔ)物理知識(shí)安放電阻，中央控制器的端口與面包板相連控制小燈，當(dāng)音樂(lè)響起的同時(shí)小燈會(huì)收到來(lái)自中央控制器的指令，同時(shí)亮起。

5系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)對(duì)Mindwave采集后的腦電波信號(hào)進(jìn)行分析，獲得eSense參數(shù)，并將其在0-100進(jìn)行分段取值，通過(guò)數(shù)據(jù)聚類(lèi)，利用KNIME AnalyliCs Platform軟件進(jìn)行繪圖，分段為0-33為輕度，34-67為中度，68-100為重度，音頻的播放依據(jù)Arduin0的I/O輸出不同的占空比Q調(diào)節(jié)，見(jiàn)公式Q=r/T。

其中r為輸出高電平時(shí)間，T為電平輸出周期。本系統(tǒng)的Arduino的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

5.2電波密集程度對(duì)比

根據(jù)圖4所示，一般認(rèn)為，腦電波大致分為α波、β波、γ波、δ波和θ波，不同的電波對(duì)應(yīng)不同的大腦狀態(tài)。例如合眼時(shí)，α波會(huì)馬上活躍起來(lái)。而當(dāng)大腦充滿(mǎn)θ波時(shí)，人的意識(shí)活動(dòng)明顯受到抑制，無(wú)法進(jìn)行邏輯思維和推理活動(dòng)。此時(shí)，大腦憑直覺(jué)、靈感、想象等接收和傳遞信息。通過(guò)檢測(cè)信號(hào)變化，我們可以得出腦波的波動(dòng)起伏間接反映了人的精神狀況，腦波趨于平穩(wěn)，反映出興奮的精神狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)增強(qiáng)輸入α波，使其腦波變化為δ波。相比較而言，在深度睡眠的情況下，腦波的振動(dòng)幅度較大，不需要進(jìn)行α波的輔助增強(qiáng)。α波呈現(xiàn)了從由高向低的能量轉(zhuǎn)化。另外，從上圖可以看出，隨著人慢慢進(jìn)入睡眠狀態(tài)，腦波的振動(dòng)幅度越來(lái)越大，人逐漸進(jìn)入深睡狀態(tài)，此時(shí)達(dá)到了輔助睡眠的最好效果，從而證明其實(shí)驗(yàn)的成功。

6總結(jié)

本文主要根據(jù)人的睡眠問(wèn)題介紹了腦電波傳感器在輔助睡眠方面做了基礎(chǔ)的分析與介紹，對(duì)使用者的腦電信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)并記錄下使用者在不同環(huán)境下腦電波的變化情況，雖然在大體上反映出腦電的變化區(qū)間，并且對(duì)其進(jìn)行定義化地區(qū)分，但是在數(shù)據(jù)的精確和區(qū)間的劃分都處于基礎(chǔ)階段，對(duì)實(shí)驗(yàn)的完備程度還存在較大的不足，期望在以后的實(shí)驗(yàn)中要大量收集數(shù)據(jù)，做大量的針對(duì)性測(cè)試，進(jìn)行精確化、多層次的分析進(jìn)行階段的劃分，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔陽(yáng).一種腦電波傳感器的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2014，17（16）：289-289，291.

[2]尹晟霖，李鳳銀，于曉璇，等.腦電波傳感器研究及應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2018，47（7）：30-35，4.

[3】張奔，吳映秋，孫文杰，等.個(gè)體化睡眠質(zhì)量監(jiān)控終端的開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（11）：229-231.

[4]馮澤宇，蔣瑾，翟正一，等.小鼠特征腦電波信號(hào)分離與相關(guān)性分析[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2015，45（14）：99-107.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2020-03-25

基金項(xiàng)目：陜省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目;西安思源學(xué)院2019年度校級(jí)教改項(xiàng)目（19SYGP017）資助

作者簡(jiǎn)介：黨珂（1997-），男，陜西成陽(yáng)淳化人，在讀本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?鄧浩（1998-），男，陜西安康鎮(zhèn)坪人，在讀本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?薛爭(zhēng)爭(zhēng)（ 1998-），男，延安子長(zhǎng)人，在讀本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?邢博（1998-），男，延安洛川人，在讀本科，研究發(fā)現(xiàn)為電子信息工程;趙松杰（1998-），男，陜西漢中鎮(zhèn)巴人，在讀本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>