一種基于腦電波檢測的兒童注意缺陷障礙（ADHD）輔助治療設備

摘要：為了確定是否達到治療效果，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)機器人進(jìn)行同方向運動(dòng)，設置一定的路程，2個(gè)機器人同時(shí)運動(dòng)，在一定路程中比較2個(gè)機器人到達終點(diǎn)的時(shí)間。該方法能夠使孩子在娛樂(lè )中，自然的完成對ADHD的訓練，據實(shí)驗數據可以看出，有較好的治療效果。

1   緒論

1.1 研究背景

現如今，父母在教育孩子時(shí)，會(huì )發(fā)現一些兒童經(jīng)常無(wú)法集中注意力去認真做一件事，對于這種現象，醫學(xué)中稱(chēng)之為兒童注意力缺陷障礙（多動(dòng)癥）ADHD^[2]?；加羞@種病癥的孩子往往成績(jì)差，丟三落四，喜怒無(wú)常，使父母在教育問(wèn)題上煞費苦心。解決這個(gè)問(wèn)題正是設計本設備的初衷。

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)習也能更加專(zhuān)注認真，從而解決父母對孩子教育的煩惱。

1.2 研究意義

本課題將腦電波傳感器與單片機信號處理技術(shù)進(jìn)行統籌設計，具有一定的創(chuàng )新和實(shí)用性，主要體現在：腦電波的強弱可以反映出一個(gè)人的注意力是否集中，眾所周知，注意力的強弱可以后天進(jìn)行訓練的，設備通過(guò)訓練來(lái)增強兒童的注意力，從而達到輔助治療的效果。

1.3 主要研究?jì)热?/p>

基于腦電波檢測的兒童注意缺陷障礙（ADHD）^[3]輔助治療設備以STM32F103 系列單片機為主控，利用腦電波傳感器提取大腦中的α 腦電波（專(zhuān)注度）然后通過(guò)藍牙發(fā)送出去，STM32 單片機作為主控通過(guò)藍牙接收腦電波信號，在其內通過(guò)腦電波提取算法篩選出α 腦電波（專(zhuān)注度），之后通過(guò)定時(shí)器將α 腦電波（專(zhuān)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 接入電機驅動(dòng)芯片TB6612FNG 的PWM 引腳，在驅動(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，達到控制電機轉速的目的。

2   輔助治療的實(shí)現

2.1 實(shí)驗準備

患者兒童佩戴腦電波獲取儀后，可通過(guò)藍牙實(shí)時(shí)將腦電波獲取儀收集到的專(zhuān)注度信號發(fā)送給MCU，MCU對信號進(jìn)行處理，從而控制機器人Y 的運動(dòng)。為了達到訓練兒童專(zhuān)注度的目的，設置有機器人X 與機器人Y形成對照，機器人X 是MCU 對正常兒童的專(zhuān)注度信號進(jìn)行處理，控制其運動(dòng)。機器人Y 為患病兒童，機器人X 為正常兒童，機器人X 為機器人Y 的對照。

2.2 實(shí)驗設計

實(shí)驗目的：提高患病兒童的專(zhuān)注度。

實(shí)驗過(guò)程：設置單向、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)機器人放于賽道中，同時(shí)啟動(dòng)，觀(guān)察2 個(gè)機器人到達終點(diǎn)所需的時(shí)間，如果機器人Y 到達終點(diǎn)的時(shí)間小于機器人X，則說(shuō)明達到訓練專(zhuān)注度的目的，為訓練合格，反之則認為沒(méi)達到訓練專(zhuān)注度的目的，訓練不合格，如圖1 所示。

圖1 訓練示意圖

兒童天生具有愛(ài)玩、爭勝的心理，本實(shí)驗通過(guò)競爭機制不但可以很好地發(fā)揮孩子的天性，同時(shí)在玩的過(guò)程中也達到鍛煉的目的，具有一定的趣味性。該設備雖然可以提高兒童的專(zhuān)注度，但仍存在一些缺陷，在之后的研究中，會(huì )對設備進(jìn)行不斷的完善與改進(jìn)，同時(shí)也將深入研究并改進(jìn)競爭機制，提高對兒童的吸引力，對不同性格的兒童設計不同款式的機器人等。

3   系統硬件設計

3.1 系統整體設計

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、藍牙從機、LED 指示燈等組成，如圖3所示。^[2]

電極片：用來(lái)準確檢測極微弱的腦電信號。

FGAM 腦波模塊：用來(lái)測量人體原始腦波信號。

耳夾：用來(lái)過(guò)濾掉噪聲，具有抗干擾能力。

藍牙主機：只發(fā)送，不接收。

LED 指示燈：用來(lái)表示藍牙連接狀態(tài)?？扉W表示未配對，慢閃表示已配對但目前未與從機連接上。長(cháng)亮表示已經(jīng)和從機連接上。

圖3 腦電波獲取儀

3.3藍牙數據的發(fā)送

藍牙HC05 是主從一體的藍牙串口模塊，簡(jiǎn)單地說(shuō)，當藍牙設備與藍牙設備配對連接成功后，可以忽視藍牙內部的通信協(xié)議，直接將藍牙當做串口用。HC05 可以擔當藍牙通信中的從機，也可以擔當藍牙通信中的主機。在設備中，腦電波傳感器為藍牙通信中的主機，HC05為通信中的從機。當建立連接后，2 個(gè)設備共同使用1個(gè)通道也就是同1 個(gè)串口，以相同的波特率，一個(gè)設備發(fā)送數據到通道中，另外一個(gè)設備便可以接收通道中的數據。^[3] 通信過(guò)程如圖4 所示。

圖4 藍牙數據的發(fā)送

3.4 驅動(dòng)電路的設計

驅動(dòng)電路采用TB6612FNG電機控制芯片，TB6612FNG是東芝半導體公司生產(chǎn)的一款直流電機驅動(dòng)器件，采用大電流MOSFET-H 橋結構，雙通道電路輸出，可同時(shí)驅動(dòng)2 個(gè)電機。

TB6612FNG 是基于MOSFET 的H 橋集成電路，其效率高于晶體管H 橋驅動(dòng)器。相比L293D 每通道平均600 mA 的驅動(dòng)電流和1.2 A 的脈沖峰值電流，其輸出負載能力提高了1 倍。相比L298N 的熱耗性和外圍二極管續流電路，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動(dòng)電機，利于減小系統尺寸。對于PWM 信號，它支持高達100 kHz 的頻率，本設備利用STM32 單片機的PWM 信號輸出引腳與芯片的PWM 信號輸入引腳連接。電路原理如圖5 所示。

圖5 電機驅動(dòng)電路

4   系統軟件設計

設備的軟件設計主要使用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。以下為各模塊介紹。

4.1 單片機程序設計

本設計的程序流程如圖5 所示，MCU 首先進(jìn)行程序初始化，打開(kāi)腦電波獲取儀連接MCU，腦電波獲取儀開(kāi)始發(fā)送數據，MCU 提取出專(zhuān)注度發(fā)送到定時(shí)器函數中對占空比進(jìn)行配置，之后通過(guò)MCU 的I/O 口輸出PWM 方波信號。程序流程如圖6 所示。

圖6 程序流程

4.2 腦電波數據分析與處理

4.2.1 數據格式的說(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。小包數據格式為8 位，大包為32 位，大包和小包的前5 位數據是不同的，可以根據條件對大包和小包進(jìn)行區別。小包的前5 位不會(huì )變化，后3 位分別為2 位原始數據與1 個(gè)校驗位。小包的作用是為大包提供原始數據^[4]。

大包為32 位，前4 位為說(shuō)明恒定不變，第5 位為傳輸信號的大小，中間部分為說(shuō)明部分，直到大包倒數第5 位代表專(zhuān)注度，倒數第4 位為專(zhuān)注度強度的大小，倒數第3 位代表放松度，倒數第2 位為放松度強度的大小，最后1 位為校驗位。圖7 為數據包信息說(shuō)明。

圖7 腦電波數據格式

4.2.2 腦電波提取算法

單片機串口接收到串口發(fā)送數據后會(huì )對其進(jìn)行篩選，最終只接收大包中的數據，之后提取出大包中的倒數第4 位數據為大腦的專(zhuān)注度，并將其發(fā)送到定時(shí)器函數中，之后當作占空比的分子控制占空比的大小，從而控制小車(chē)機器人的運行速度。數據處理流程如圖8 所示。

圖8 數據處理流程

5   結束語(yǔ)

本設計將腦電波與單片機信號控制相結合，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(chēng)，其所發(fā)揮的作用也不一樣。如今腦電波在醫療應用中發(fā)揮了巨大的作用。而本設備是基于腦電波中專(zhuān)注度波的設計，針對（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5 位志愿者患病兒童的訓練前專(zhuān)注度平均值與經(jīng)一段時(shí)間訓練后測得的專(zhuān)注度平均值進(jìn)行比較，發(fā)現其平均專(zhuān)注度由56 增加到了81，增加了45%，較好地達到了訓練的目的，對提升專(zhuān)注度有一定的輔助作用。

在之后的研究過(guò)程中將對設備進(jìn)行改進(jìn)和完善：以提取出其他頻段腦電波信號，為醫療服務(wù)，例如β 波，也叫放松度，利用腦電波提取算法能夠檢測一個(gè)人的睡眠質(zhì)量，輔助醫生更好地對失眠患者進(jìn)行治療。

參考文獻：

[1]張潔,何文濤,馮華星.基于直流無(wú)刷電機的PWM電路設計[J].微電子學(xué)與計算機,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].中國全科醫學(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].中國中醫基礎醫學(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動(dòng)想象腦電信號特征提取算法[J].生物醫學(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）