运动游戏站集锻炼、娱乐和癫痫监测于一体 - 医疗电子 -

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<strong>引言</strong>

现在，有越来越多的人愿意参加体育运动，在健身车或跑步机上锻炼身体。然而，与此同时，却有许多孩子浪费大量时间在电视游戏上而把锻炼身体抛之脑后。缺乏锻炼、过多的游戏时间不仅仅使孩子们的体重增加，而且紧张刺激的游戏可能会诱发那些对光敏感而身体失调的孩子出现突发性痉挛(癫痫)。

癫痫可能由光刺激(闪烁)或空间上周期性发生的光栅引起[1]。这些光刺激被发现存在于多人在线角色扮演类游戏、掌上游戏、电视游戏和一些特殊的游戏控制台中[2]。意识到这些潜在的危险后，为了保护这些特殊个体，国际组织，包括国际电信联盟(ITU)和国际标准化组织(ISO)已经开始为在公众媒体上出现的光刺激或光栅刺激着手制定一些国际标准[1-4]。

飞思卡尔的工程师们设计了一个无线游戏控制器，并将它安装在健身车上，这样人们就可以边玩游戏边健身。并且，在集成了ZigBee发送接收器和三轴低重力加速度传感器(MEMS)之后，飞思卡尔运动游戏站就被设计成为能够侦测诸如小儿癫痫发病时的症状，而且能将报警信号无线传输给孩子的父母或照看人。这个设计理念能使视频游戏更健康、更安全。

<strong>小儿癫痫病理</strong>

某些时候，观看电视和视频游戏会直接诱发感光性癫痫。1997年12月，日本报道了一个名为《宠物小精灵》的动画片导致许多孩子出现突发性痉挛。进一步研究发现，一段节目中含有15Hz的红蓝交替闪烁光线。由此确认，之前报道提到的那些对光敏感而出现癫痫症状的孩子更容易受到闪烁的单色长光波的影响。1999年，《光敏感性癫痫和影像安全》作者得出结论：视频游戏中的闪烁效果和50Hz间歇性光刺激(IPS)会诱使有光敏感性癫痫的游戏者出现癫痫症状[3] [5]。

<strong>减少小儿癫痫发病风险</strong>

游戏程序员可以通过以下手段帮助减少因视频游戏而引发癫痫的风险：1)消除间歇性光刺激(IPS)，例如当深红色和亮色这两种亮度截然不同的光线互相变换的情形; 2)限制闪烁不超过每秒3次。

为了帮助游戏者减少突发癫痫的风险，癫痫病基金会推荐如下。

　　● 在光线条件好的房间里，至少坐在离屏幕2英尺处。
　　● 降低屏幕亮度。
　　● 如果孩子累了，别让他们继续玩游戏。
　　● 多休息，每隔一段时间让视线离开电视屏幕;游戏中盯着屏幕时不要频繁眨眼，这会使对光敏感的孩子更容易突发癫痫。
　　● 在游戏时可以定时交替蒙上一只眼睛。
　　● 当感觉不好或者身体开始抽搐时，立即结束游戏

<strong>飞思卡尔运动游戏站：集锻炼、娱乐及癫痫监测于一体</strong>

SGS(运动游戏站)由两部分组成：接收端和发送端。接收端(图1)由一个集成了USB OTG的32位V1 ColdFire内核的主控芯片MCF51JM128和一个短距离、低功耗、2.4GHz ISM(工控、科研和医疗)频段的无线发送接收器MC13192组成。

发送端(图2)则使用了超低功耗的8位MC9S08QE32 (S08QE32)作为主控芯片，另外搭载了一个2.4GHz的无线发送接收器MC13192和一个3轴低重力加速度传感器MMA7260QT。


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2010-4-14 17:18:35 上传
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作为整个系统的一部分 (图3)，发送端可以安在人身上或装在运动器材上，用来记录并识别人体动作或器械运动。加速度传感器就是用来探测这些运动(特别是人体动作)，将运动转化为模拟电信号。主控芯片(S08QE32)读取这些模拟电信号，将它们转换为合适的键值。然后，MCU将这些键值通过SPI端口无线发送到接收端。当接收端上的无线发送接收器接收到这些键值数据包之时，便告知MCU(MCF51JM128)，MCU则从SPI端口读取键值数据包，并将数据包通过USB发送给PC。这样，PC就能将人体动作识别为简单的键值。


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在这个例子中，发送端作为传感器感知器械运动或人体动作，并将转换后的数据发送给接收端，而接收端则作为USB人体学输入设备(HID)——键盘。当接收端连接到PC时，就被认为是一个简单的USB键盘，这样就使得许多可以用键盘或游戏手柄玩的游戏可以使用此系统进行游戏。

对于不同的游戏控制器，此平台可运用不同的传感器，如简单的按键或游戏手柄。例如，利用飞思卡尔三轴低重力加速度传感器MMA726x来探测倾斜角度，可用此来控制一些著名游戏;对于健身自行车来说，则采用转速传感器和方向控制按钮; 对于一个格斗对战游戏来说，则可利用游戏手柄来控制方向，而加速度传感器则用来探测和识别出拳或者踢腿动作。

<strong>用发送端来监测癫痫</strong>

作为飞思卡尔游戏运动站的重要附加值，发送端可为那些有光敏感性癫痫游戏者提供平和的心境。无需改动发送端的硬件设计，只需要加入特别设计的软件算法即可用于监测癫痫的发生。当有短促而强烈的电波群作用在大脑的某部分时，癫痫就可能发生。癫痫可能持续几秒钟到几分钟，其症状多表现为目光凝滞、口咽部非自主动作、运动僵硬乃至更危险的抽搐和丧失意识。

监测癫痫发病时症状，可靠的软件算法是必须的。设计这个特殊的算法，必须由加速度计采集足够的癫痫发病时全身抽搐的波形样本，才能保证监测异常状态的准确度。一旦癫痫信息发送到接收端时，接收端立即将信息发送至电脑，电脑上运行的程序会将文字信息发送到其父母的手机或者通过游戏控制台发出蜂鸣报警以提示癫痫已经发生。这些数据也可提交给神经科医生核实这些波形并确认任何异常状态的发生。

<strong>强大的电池续航能力</strong>

由于运动游戏站的接收端是无线的游戏控制器，电池续航能力便成为设计的关键。接收端的三个主要芯片都是超低功耗设计：主控芯片S08QE32(在STOP模式下，大约消耗 0.4mA)，无线传输接收器MC13192和低重力加速度计MMA7260(在睡眠模式下，大约消耗3mA)。另外，在几分钟内如果传感器没有信号输入，则接收端将自动进入休眠模式以延长电池寿命。

<strong>SGS固件设计</strong>

接收端和发送端的固件设计并不复杂(图4)。接收端包括了USB驱动，USB-HID键盘协议和简单媒体访问控制(SMAC)协议。(更多 ColdFire MCU的USB驱动和USB-HID协议，请参考www.freescale.com上的CMX_USB-LITE协议栈)


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2010-4-14 17:18:34 上传
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对于发送端来说，则需要SMAC协议栈和一个简单用于探测倾斜角度、运动和速度信号，并将这些信号转换为键值或游戏手柄信号的算法。在接收端上，加速度计MMA7260QT可将其检测到的X、Y或Z轴的倾斜信号或加速度信号以电压的形式输出。主控芯片S08QE32的模数转换模块(ADC)则可将这些模拟电压信号转换成数字信号，以便识别这些运动信号。而通过SMAC协议栈，就可以方便而有效地发送或接收任何简单数据包。

<strong>SMAC</strong>

SMAC是基于IEEE 802.15.4的简单软件协议栈，可配合飞思卡尔8位传输控制器工作。SMAC可用于快速开发和系统评估，并可从飞思卡尔免费获得。SMAC可方便用于实现Zigbee协议栈或者完整的802.15.4协议层。它是那些要求仅实现基本传输传送、低功耗多通道的小成本应用的理想选择。更多SMAC细节，可至www.freescale.com参考SMAC协议栈参考手册(搜索SMACRM)。

<strong>结论</strong>

运动游戏站(SGS)是由无线传输器(MC1319x/MC1320x家族)、免费的传输协议栈(SMAC)、加速度传感器(MMA726x家族)、低功耗的8位主控芯片(S08QE家族)和具有高性能互连性的主控芯片(MCF51JM家族)等关键元素组成的。

飞思卡尔的设计者们定期地和医疗人员探讨新产品的开发以提高人们的生活质量，并为客户提供广泛技术支持。

参考文献：

[1] Harding G, Wilkins A J, Erba G,et al.Photic-and Pattern-Induced Seizures: Expert Consensus of the Epilepsy Foundation of America Working Group. Fisher, Epilepsia, 2005,46(9):1423-1425

[2] Chuang Y C.Massively Multiplayer Online Role-Playing Game-Induced Seizures: A Neglected Health Problem in Internet Addiction.CyberPsychology & Behavior.2006, 9(4): 451-456

[3] Chuang Y C,Chang W N,Lin T K,et al.Game-Related Seizures Presenting with Two Types of Clinical Features.Seizure,2006(15):98-105

[4] Fylan F, Harding G F A, Edson A S,et al. Mechanisms of Video-Game Epilepsy.Epilepsia,1999, 40(Suppl. 4): 28-30

[5] Kasteleijn-Nolst Trenité D G,Martins da Silva A,Ricci T S,et al. Video-Game Epilepsy: A European Study.Epilepsia, 1999,40(Suppl. 4): 70-74

作者：谌利 居颖轶 飞思卡尔公司ColdFire应用工程师 Gabriela López 墨西哥学院神经系统学实验室 Sergio Rosales 神经退化性紊乱医学博士、小儿外科医生
来源:电子产品世界 2010-03-09