CN109199372A - 一种专注度辨识的脑电采集装置 - Google Patents

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范新安
张利剑
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Abstract

本发明涉及一种专注度辨识的脑电采集装置，该装置包括信号传导模块、阻抗检测模块、输入缓冲模块、高精度放大模块、模数转换模块、信号处理模块、共模抑制模块以及无线数据传输模块；所述信号处理模块，用于从所述阻抗电压信号解析出实时阻抗，同时从所述数字信号中提取出专注度数据传输至所述无线数据传输模块。本发明的装置实现专注度辨识的步骤简单，短时间内就能精确辨识出当前的专注度情况，即能够实时辨识专注度信息，辨识精度高且成本低廉；同时佩戴简单，支持即带即用。

Description

一种专注度辨识的脑电采集装置
本发明涉及生物信号技术领域，尤其涉及一种专注度辨识的脑电采集装置。
背景技术
对于大脑专注度的获取，目前主流方式主要通过面部识别、眼动识别以及题目测试等方式获得，面部识别以及眼动识别想要获得精确度高的辨识结果，其成本非常昂贵，而题目测试方式往往耗时冗长，操作起来十分不便。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种专注度辨识的脑电采集装置，用以解决现有测试步骤繁琐，耗时冗长，高精度装置成本高，穿戴繁琐，辨识精确度低且实时性差的问题，该装置能够通过测得的脑电信号实时辨识出大脑的专注度，测试方便、精确度高，且成本较低。
本发明实施例提供了一种专注度辨识的脑电采集装置，该装置包括信号传导模块、阻抗检测模块、输入缓冲模块、高精度放大模块、模数转换模块、信号处理模块、共模抑制模块以及无线数据传输模块；所述信号传导模块，用于采集并输出原始脑电信号分别至所述输入缓冲模块和所述阻抗检测模块；所述阻抗检测模块，用于将所述原始脑电信号转化为阻抗电压信号；所述输入缓冲模块，用于获取完整的脑电信号；所述高精度放大模块，用于放大所述输入缓冲模块输出的脑电信号，同时将放大后的脑电信号发送到所述共模抑制模块；所述模数转换模块，用于将放大后的脑电信号转换为数字信号；所述共模抑制模块，用于对放大后的脑电信号进行共模干扰消除后反向输入到所述信号传导模块；所述信号处理模块，用于从所述阻抗电压信号解析出实时阻抗，同时从所述数字信号中提取出专注度数据传输至所述无线数据传输模块。
基于上述装置的另一个实施例，所述信号处理模块判断解析出的实时阻抗值小于50KΩ时，分析当前接收到的所述数字信号并提取出专注度数据。
可选地，所述无线数据传输模块接收到所述专注度数据后对外发送。
可选地，所述信号传导模块采用银氯化银材料干电极；所述高精度放大模块采用高精度仪表放大芯片AD8221；所述共模抑制模块采用运算放大器ad8639。
可选地，所述输入缓冲模块包括运算放大器U1和运算放大器U7；其中，所述运算放大器U1使用的核心芯片是AD8638ARJZ，所述运算放大器U7使用的核心芯片是AD8638ARJZ。
可选地，所述模数转换模块包括转换芯片U5和晶振U6；其中，所述转换芯片U5使用的核心芯片是Ads1298，所述晶振U6使用的芯片是2.048MHz晶振。
可选地，所述信号传导模块的端口包括输入端、共模输入端、输出端和阻抗输出端；其中，输入端采集原始脑电信号，共模输入端与所述共模抑制模块的输出端连接，输出端与所述输入缓冲模块的输入端连接，阻抗输出端与所述阻抗检测模块的输入端连接。
可选地，所述高精度放大模块的端口包括输入端、输出端和共模输出端；其中，输入端与所述输入缓冲模块的输出端连接，输出端与所述模数转换模块的输入端连接，共模输出端与所述共模抑制模块的输入端连接。
可选地，所述共模抑制模块的输出端与所述信号传导模块的输入端连接。
可选地，所述信号处理模块的端口包括输入端、阻抗输入端和通讯端；其中，输入端与所述模数转换模块的输出端连接，阻抗输入端与所述阻抗检测模块的输出端连接，通讯端与所述无线数据传输模块的通讯端连接。
上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例公开一种专注度辨识的脑电采集装置，该装置包括信号传导模块、阻抗检测模块、输入缓冲模块、高精度放大模块、模数转换模块、信号处理模块、共模抑制模块以及无线数据传输模块；所述信号传导模块，用于采集并输出原始脑电信号分别至所述输入缓冲模块和所述阻抗检测模块；所述阻抗检测模块，用于将所述原始脑电信号转化为阻抗电压信号；所述输入缓冲模块，用于获取完整的脑电信号；所述高精度放大模块，用于放大所述输入缓冲模块输出的脑电信号，同时将放大后的脑电信号发送到所述共模抑制模块；所述模数转换模块，用于将放大后的脑电信号转换为数字信号；所述共模抑制模块，用于对放大后的脑电信号进行共模干扰消除后反向输入到所述信号传导模块；所述信号处理模块，用于从所述阻抗电压信号解析出实时阻抗，同时从所述数字信号中提取出专注度数据传输至所述无线数据传输模块。与现有技术相比，该装置实现专注度辨识的步骤简单，短时间内就能精确辨识出当前的专注度情况，即能够实时辨识专注度信息，辨识精度高且成本低廉；同时佩戴简单，支持即带即用。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例提供的专注度辨识的脑电采集装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的专注度辨识的脑电采集装置的工作流程图；
图3为本发明实施例提供的输入缓冲模块的结构图；
图4为本发明实施例提供的模数转换模块的结构图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
针对目前大脑专注度获取的主流方式所获得的辨识结果的成本昂贵，而题目测试方式耗时冗长操作不便的问题，本发明提出了一种专注度辨识的脑电采集装置。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种专注度辨识的脑电采集装置，该装置包括信号传导模块、阻抗检测模块、输入缓冲模块、高精度放大模块、模数转换模块、信号处理模块、共模抑制模块以及无线数据传输模块；所述信号传导模块，用于采集并输出原始脑电信号分别至所述输入缓冲模块和所述阻抗检测模块；所述阻抗检测模块，用于将所述原始脑电信号转化为阻抗电压信号；所述输入缓冲模块，用于获取完整的脑电信号；所述高精度放大模块，用于放大所述输入缓冲模块输出的脑电信号，同时将放大后的脑电信号发送到所述共模抑制模块；所述模数转换模块，用于将放大后的脑电信号转换为数字信号；所述共模抑制模块，用于对放大后的脑电信号进行共模干扰消除后反向输入到所述信号传导模块；所述信号处理模块，用于从所述阻抗电压信号解析出实时阻抗，同时从所述数字信号中提取出专注度数据传输至所述无线数据传输模块。与现有技术相比，本实施例提供的专注度辨识的脑电采集装置能够通过测得的脑电信号实时辨识出大脑的专注度，测试方便、精确度高，且成本较低。
图2为本发明实施例的专注度辨识的脑电采集装置的工作流程图。
结合图2可知，本发明实施例的脑电采集的专注度辨识的具体实现过程，也即专注度辨识的脑电采集装置的工作流程，具体步骤如下：
S201，脑电信号通过信号传导模块完整且同时传递到阻抗检测模块的输入端和输入缓冲模块的输入端中；
S202，输入缓冲模块将脑电信号完整的获取并传递到高精度放大模块进行高精度放大，同时高精度放大模块的共模输出端将共模信号发送到共模抑制模块进行共模抑制，并反向输入到信号传导模块；
S203，脑电信号通过高精度放大模块放大后由模数转换模块进行精确采集并发送给信号处理模块进行计算，信号处理模块同时还对阻抗检测模块发来的电压信号进行处理，解析出大脑皮层的实时阻抗；
S204，信号处理模块由采集到的脑电信息及解析出的实时阻抗实时辨识出当前专注度数据，并通过无线数据传输模块对外发送。
需要说明的是，S202步骤中，共模抑制模块对共模信号进行共模抑制后并反向输入到信号传导模块实现了对共模信号的有效抑制，S203步骤中，信号处理模块对精确采集到的脑电信号进行处理的同时还对阻抗检测模块发来的电压信号进行处理，解析出大脑皮层的实时阻抗，实现对电极与大脑皮层间接触阻抗的实时监测。
本发明的一个具体实施例，所述信号处理模块判断解析出的实时阻抗值小于50KΩ时，分析当前接收到的所述数字信号并提取出专注度数据。也就是说，信号处理模块通过设定的阻抗阈值来判定是否分析当前接收到的所述数字信号并提取出专注度数据，即可实时通过检测接触阻抗来保证专注度测量的准确性。
本发明的一个具体实施例，所述无线数据传输模块接收到所述专注度数据后对外发送。也就是说，所述无线数据传输模块通过通讯端口接收信号处理模块提取出的所述专注度数据，并以无线电形式向外界发送。实际应用中，所述无线数据传输模块作为独立模块内置于电路板中。
本发明的一个具体实施例，所述信号传导模块采用银氯化银材料干电极；所述高精度放大模块采用高精度仪表放大芯片AD8221；所述共模抑制模块采用运算放大器ad8639。这里需要说明的是，采用银氯化银材料干电极能够将脑电信号完整且同时传递到阻抗检测模块的输入端和输入缓冲模块的输入端。采用高精度仪表放大芯片AD8221能够对完整的脑电信号进行高精度放大。采用运算放大器ad8639能够实现了对共模信号的有效抑制。
图3为本发明实施例的输入缓冲模块的结构图。
本发明的一个具体实施例，所述输入缓冲模块包括运算放大器U1和运算放大器U7；其中，所述运算放大器U1使用的核心芯片是AD8638ARJZ，所述运算放大器U7使用的核心芯片是AD8638ARJZ。需要说明的是，所述输入缓冲模块通过采用高精度、高输入阻抗及高共模抑制比的运算放大器来提高输入阻抗和共模抑制比。
如输入缓冲模块的结构图所示，参见图3，输入缓冲模块由运算放大器U1和运算放大器U7组成；电路板上具体连接关系如下：运算放大器U1的引脚1分别与电阻R41的一端、运算放大器U1的引脚4连接，电阻R41的另一端分别与输出端、电阻R11的一端连接，电阻R11的一端分别与输入端、电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与电容C10的一端、运算放大器U1的引脚3连接，运算放大器U1的引脚2与3.3V直流电源的负极连接，运算放大器U1的引脚5与3.3V直流电源的正极连接；运算放大器U7的引脚1分别与电阻R2的一端、运算放大器U7的引脚4连接，电阻R2的另一端分别与输出端、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与输入端、电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端分别与电容C19的一端、运算放大器U7的引脚3连接，运算放大器U7的引脚2与3.3V直流电源的负极连接，运算放大器U7的引脚5与3.3V直流电源的正极连接。
图4为本发明实施例的模数转换模块的结构图。
本发明的一个具体实施例，所述模数转换模块包括转换芯片U5和晶振U6；其中，所述转换芯片U5使用的核心芯片是Ads1298，所述晶振U6使用的芯片是2.048MHz晶振。需要说明的是，所述模数转换模块采用24位高精度模数转换芯片ADS1298将放大后的脑电信号进行高精度采集，并转换成数字信号发送到信号处理模块进行专注度辨识计算。
如模数转换模块的结构图所示，参见图4，模数转换模块由模数转换芯片U5和晶振U6组成；电路板上具体连接关系如下：模数转换芯片U5的引脚A3分别与模数转换芯片U5的引脚B3、电阻R8的一端、电容C31的一端连接，模数转换芯片U5的引脚C3分别与电阻R8的另一端、电容C31的另一端连接，模数转换芯片U5的引脚A4、模数转换芯片U5的引脚B4、模数转换芯片U5的引脚C6、模数转换芯片U5的引脚B6、模数转换芯片U5的引脚A6、模数转换芯片U5的引脚A7均与2.5V直流电源的正极连接，模数转换芯片U5的引脚D4、模数转换芯片U5的引脚C5、模数转换芯片U5的引脚B5、模数转换芯片U5的引脚A5、模数转换芯片U5的引脚A8、模数转换芯片U5的引脚D5均与2.5V直流电源的负极连接，2.5V直流电源的负极分别与电容C52的一端、电容C54的一端、电容C59的一端、电容C60的一端、电容C82的一端、电容C83的一端、电容C84的一端、电容C92的一端、电容C97的一端、电容C51的一端连接，电容C52的另一端、电容C54的另一端均与模数转换芯片U5的引脚B7连接，电容C59的另一端、电容C60的另一端均接地，电容C82的另一端、电容C83的另一端均与模数转换芯片U5的引脚H3连接，电容C84的另一端与模数转换芯片U5的引脚H6连接，电容C92的另一端与模数转换芯片U5的引脚G3连接，电容C97的另一端与模数转换芯片U5的引脚H5连接，电容C51的另一端与模数转换芯片U5的引脚D3连接，模数转换芯片U5的引脚E4、模数转换芯片U5的引脚G2、模数转换芯片U5的引脚H7、模数转换芯片U5的引脚D7、模数转换芯片U5的引脚B8均接地，模数转换芯片U5的引脚C8、模数转换芯片U5的引脚D8均与3.3V直流电源的正极连接，模数转换芯片U5的引脚H1与高精度放大模块的输出端连接，模数转换芯片U5的引脚H2接地，模数转换芯片U5的引脚D6与信号处理模块的控制端1接口连接，模数转换芯片U5的引脚E8与信号处理模块的控制端2接口连接，模数转换芯片U5的引脚F7与信号处理模块的控制端3接口连接，模数转换芯片U5的引脚F8与信号处理模块的控制端4接口连接，模数转换芯片U5的引脚G7与信号处理模块的控制端5接口连接，模数转换芯片U5的引脚H8与信号处理模块的控制端6接口连接，模数转换芯片U5的引脚G5与信号处理模块的控制端7接口连接，模数转换芯片U5的引脚E6与信号处理模块的控制端8接口连接，模数转换芯片U5的引脚G6与电阻R50的一端连接，电阻R50的另一端分别与电阻R51的一端、晶振U6的引脚1、晶振U6的引脚4、电容C77的一端、3.3V直流电源的正极连接，R51的另一段与信号处理模块的控制端9接口连接，模数转换芯片U5的引脚G8与晶振U6的引脚3连接，晶振U6的引脚2分别与电源地、电容C77的另一端连接。
本发明的一个具体实施例，结合图1所示，所述信号传导模块的端口包括输入端、共模输入端、输出端和阻抗输出端；其中，输入端采集原始脑电信号，共模输入端与所述共模抑制模块的输出端连接，输出端与所述输入缓冲模块的输入端连接，阻抗输出端与所述阻抗检测模块的输入端连接。本实施例的脑电采集装置中所述信号传导模块具有四个端口，分别连接外界脑电、所述共模抑制模块的输出端、所述输入缓冲模块的输入端、所述阻抗检测模块的输入端。
本发明的一个具体实施例，结合图1所示，所述高精度放大模块的端口包括输入端、输出端和共模输出端；其中，输入端与所述输入缓冲模块的输出端连接，输出端与所述模数转换模块的输入端连接，共模输出端与所述共模抑制模块的输入端连接。本实施例的脑电采集装置中所述高精度放大模块具有三个端口，分别连接所述输入缓冲模块的输出端、所述模数转换模块的输入端、所述共模抑制模块的输入端。
本发明的一个具体实施例，结合图1所示，所述共模抑制模块的输出端与所述信号传导模块的输入端连接。本实施例中，所述共模抑制模块对放大后的脑电信号进行共模干扰消除后反向输入到所述信号传导模块，实现了对共模信号的有效抑制。
本发明的一个具体实施例，结合图1所示，所述信号处理模块的端口包括输入端、阻抗输入端和通讯端；其中，输入端与所述模数转换模块的输出端连接，阻抗输入端与所述阻抗检测模块的输出端连接，通讯端与所述无线数据传输模块的通讯端连接。本实施例的脑电采集装置中所述信号处理模块具有三个端口，分别连接所述模数转换模块的输出端、所述阻抗检测模块的输出端、所述无线数据传输模块的通讯端。
综上所述，本发明实施例的一种专注度辨识的脑电采集装置，该装置包括信号传导模块、阻抗检测模块、输入缓冲模块、高精度放大模块、模数转换模块、信号处理模块、共模抑制模块以及无线数据传输模块；所述信号传导模块，用于采集并输出原始脑电信号分别至所述输入缓冲模块和所述阻抗检测模块；所述阻抗检测模块，用于将所述原始脑电信号转化为阻抗电压信号；所述输入缓冲模块，用于获取完整的脑电信号；所述高精度放大模块，用于放大所述输入缓冲模块输出的脑电信号，同时将放大后的脑电信号发送到所述共模抑制模块；所述模数转换模块，用于将放大后的脑电信号转换为数字信号；所述共模抑制模块，用于对放大后的脑电信号进行共模干扰消除后反向输入到所述信号传导模块；所述信号处理模块，用于从所述阻抗电压信号解析出实时阻抗，同时从所述数字信号中提取出专注度数据传输至所述无线数据传输模块。本发明实施例的脑电采集装置用于人体专注度的精确辨识，与现有技术相比，本发明的有益效果具体为：
1、测试步骤简单，短时间内能精确辨识出当前的专注度情况；
2、辨识精度高且成本低廉；
3、佩戴简单，支持即带即用；
4、能实时辨识专注度信息。
也即，本实施例提供的专注度辨识的脑电采集装置能够通过测得的脑电信号实时辨识出大脑的专注度，测试方便、精确度高，且成本较低。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种专注度辨识的脑电采集装置，其特征在于，该装置包括：信号传导模块、阻抗检测模块、输入缓冲模块、高精度放大模块、模数转换模块、信号处理模块、共模抑制模块以及无线数据传输模块；
所述信号传导模块，用于采集并输出原始脑电信号分别至所述输入缓冲模块和所述阻抗检测模块；
所述阻抗检测模块，用于将所述原始脑电信号转化为阻抗电压信号；
所述输入缓冲模块，用于获取完整的脑电信号；
所述高精度放大模块，用于放大所述输入缓冲模块输出的脑电信号，同时将放大后的脑电信号发送到所述共模抑制模块；
所述模数转换模块，用于将放大后的脑电信号转换为数字信号；
所述共模抑制模块，用于对放大后的脑电信号进行共模干扰消除后反向输入到所述信号传导模块；
所述信号处理模块，用于从所述阻抗电压信号解析出实时阻抗，同时从所述数字信号中提取出专注度数据传输至所述无线数据传输模块。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述信号处理模块判断解析出的实时阻抗值小于50KΩ时，分析当前接收到的所述数字信号并提取出专注度数据。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述无线数据传输模块接收到所述专注度数据后对外发送。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述信号传导模块采用银氯化银材料干电极；所述高精度放大模块采用高精度仪表放大芯片AD8221；所述共模抑制模块采用运算放大器ad8639。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述输入缓冲模块包括运算放大器U1和运算放大器U7；其中，所述运算放大器U1使用的核心芯片是AD8638ARJZ，所述运算放大器U7使用的核心芯片是AD8638ARJZ。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述模数转换模块包括转换芯片U5和晶振U6；其中，所述转换芯片U5使用的核心芯片是Ads1298，所述晶振U6使用的芯片是2.048MHz晶振。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述信号传导模块的端口包括输入端、共模输入端、输出端和阻抗输出端；其中，输入端采集原始脑电信号，共模输入端与所述共模抑制模块的输出端连接，输出端与所述输入缓冲模块的输入端连接，阻抗输出端与所述阻抗检测模块的输入端连接。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述高精度放大模块的端口包括输入端、输出端和共模输出端；其中，输入端与所述输入缓冲模块的输出端连接，输出端与所述模数转换模块的输入端连接，共模输出端与所述共模抑制模块的输入端连接。
9.根据权利要求1或8所述装置，其特征在于，所述共模抑制模块的输出端与所述信号传导模块的输入端连接。
10.根据权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述信号处理模块的端口包括输入端、阻抗输入端和通讯端；其中，输入端与所述模数转换模块的输出端连接，阻抗输入端与所述阻抗检测模块的输出端连接，通讯端与所述无线数据传输模块的通讯端连接。
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