CN103260505B - 用于提供生物反馈的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于向人（104）提供生物反馈的系统（102）。所述系统（102）包括：源（106），其用于生成源信号（108）；以及换能器（110），其用于响应于指示人（104）的精神放松的生理参数（114）生成测量信号（112）。所述系统（102）还包括：滤波器（116），其用于通过响应于测量信号（112）修改截止频率来对源信号进行变化地滤波，以及接口（118），其用于基于经所述滤波器（116）变化地滤波的源信号向人提供生物反馈信号（119）。

Description

用于提供生物反馈的系统
技术领域
本发明涉及一种用于向人提供生物反馈的系统。
背景技术
US4334545A涉及一种生物反馈系统，包括用于记录受试者大脑活动的电极。调制声音信号的幅度或频率，以便为受试者提供测量的精神状态活动的可听反馈。
US4191175A描述了一种设备，用于生成像噪声那样的可听信号，其将在人体中诱发催眠或麻醉效应。为此，通过可调谐带通放大器对数字脉冲序列发生器进行修改等。
US4354505A公开了一种自我训练生物反馈系统，包括用于确定放松周期的指示的计数器，其中，向受试者显示计数器的值。
欧洲专利EP0664683B1公开了一种电颅脑式脑电生物反馈设备。该设备包括探测模块，用于探测生物电EEG信号，包括一组带宽，每个带宽都具有选定频率附近一个Hz的范围。该设备还包括音响模块，包括用于所述带宽中的每个的相应乐谱。音响模块被配置成响应于所述带宽的幅度增大而提高所述相应乐谱以便提高向患者播放的音乐音量。
由于所述音响模块响应于一些带宽的幅度增大而提高音乐的音量，使患者很明白地意识到手术，从而无法诱发放松感。这样的意识并不有利；实际上起了反作用，因为它可能引起额外的紧张。因此，该设备的问题是其有效减小患者紧张水平的能力有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够更有效地降低人紧张水平的生物反馈系统。这一目的是由根据本发明的系统实现的，所述系统包括：源，其用于生成源信号；换能器，其用于响应于指示人的精神放松的生理参数生成测量信号；滤波器，其用于通过响应于所述测量信号修改截止频率来对源信号进行变化地滤波；以及接口，其用于基于经所述滤波器变化地滤波的源信号向人提供生物反馈信号。
通过使滤波器针对指示精神放松的测量信号调整截止频率，并接下来通过这样的自适应滤波器对源信号进行滤波并使生物反馈信号基于这样的经变化地滤波的源信号，经由接口向人提供生物反馈，针对人的精神放松状态的变化适当地调整所述生物反馈。因此，该系统使得能够下意识地诱发放松效应，从而避免人意识到系统的存在。因此，人没有感觉要负责放松的负担。因此，放松效应未被这种感觉会导致的紧张抵消。结果，根据本发明的系统能够更有效地降低人的紧张水平。
指示人、例如患者的精神放松的生理参数可以是心率、心率变异性、皮肤电导、大脑活动或者其组合。
本发明允许在健康和康复领域中应用。例如，工作繁重并且因此经受显著压力的人可能受益于本发明的这种应用。健康和保健活动通常发生在私人环境中，例如在家中，因而不在医院环境中。本发明还允许应用于医院环境中，即，人是患者的情况，在医学流程之前和/或期间，给患者诱发显著紧张水平，而没有这样的紧张水平是成功完成所述流程的一种手段。这样的医学流程的范例是磁共振成像（MRI）和正电子发射断层摄影（PET）结合计算机断层摄影（CT）。在MRI检查期间，患者位于MRI扫描器的窄膛中，在所述扫描器生成的严重噪声之间。结果，患者经历显著的紧张，这对成像质量造成不利影响，因为其导致运动伪影。因此，要尽可能减小这样的紧张。出于PET-CT成像的目的，通过静脉向患者施予包括带放射性标记的糖的造影剂。由于人体对所述糖的摄取基本是非特异性的，所以示踪剂将汇集在身体中消耗所述糖的任何位置。因此，需要患者在服药期间和之后继续尽可能放松，以便使大脑消耗的糖量最小化。然而，由注射、患者所处CT扫描器的受限几何形状和患者意识到尽管如此仍应放松的事实会诱发显著的紧张。因此，MRI和PET-CT成像可能大大受益于根据本发明的系统。
在根据本发明的系统的优选实施例中，所述接口被布置成生成包括可听分量的生物反馈信号，并且所述滤波器被配置成响应于所述测量信号修改其最低截止频率。因此，在这一具体实施例中，生物反馈信号所依据的源信号例如包括在光存储盘或使用数字音频编码格式的例如MP3的文件中包含的信息。本实施例实现了自适应地抑制可听生物反馈信号的最低频率内容，即其中包含的低音音调。人经受到这种可听生物反馈的低频成分在与高频成分比较时更近。结果，本实施例能够提供高冲击的生物反馈。因此，本实施例是有利的，因为其能够进一步降低人的紧张水平。可听分量可以是一段音乐，以便使得生物反馈信号更加令人愉快，由此有利地提高生物反馈的有效性。
在根据本发明的系统的另一优选实施例中，其中，换能器被布置成响应于7Hz到13Hz频率范围中的大脑活动生成测量信号。因此，本实施例被配置成提供脑电生物反馈。通过在7Hz到13Hz的范围中选择频率成分，换能器能够登记α（alpha）大脑活动，已知其水平与人的精神放松水平强相关。结果，本实施例有效地寻址了大脑中与精神放松相关联，或者甚至负责精神放松的那些部分。因此，本实施例有利地能够进一步降低人的紧张水平。
在根据本发明的系统的实际实施例中，所述滤波器包括带通滤波器，其被配置成响应于所述测量信号修改其最低截止频率。
在根据本发明的系统的另一实际实施例中，所述滤波器包括高通滤波器，其被配置成响应于所述测量信号修改其最低截止频率。
在根据本发明的系统的另一优选实施例中，其中，所述源被布置成生成包括可听分量的生物反馈信号，其中，所述换能器被配置成响应于随着人的精神放松而单调增大的生理参数生成测量信号，其中，所述系统被布置成计算所述测量信号的谱功率，并且其中，所述滤波器被布置成根据所述最低截止频率随着所述谱功率单调增大的关系，响应于所述谱功率修改其最低截止频率。在本文中，单调增大意味着不减小，而单调减小意味着不增大。在7Hz到13Hz的频率范围中的大脑活动，即α大脑活动，和心率变异性是随着人的精神放松水平单调增大的生理参数范例。于是与基于这种大脑活动的测量信号相关联的谱功率水平增大指示更加放松的人。通过响应于测量信号谱功率的升高减小滤波器的最低截止频率，越来越放大可听生物反馈信号中包含的较低频率，本实施例累进地回报人，以实现更高水平的放松。结果，本实施例是有利的，因为其能够更有效地降低人的紧张水平。
在根据本发明的系统的另一优选实施例中，其中，所述源被布置成生成包括可听分量的生物反馈信号，其中，所述换能器被配置成响应于随着人的精神放松而单调增大的生理参数生成测量信号，其中，所述系统被布置成计算所述测量信号的谱功率，并且其中，所述滤波器被布置成根据所述最低截止频率随着所述谱功率单调增大的关系，响应于所述谱功率修改其最低截止频率。在本文中，单调增大意味着不减小，而单调减小意味着不增大。心率和皮肤电导，即皮肤电反应是随着人的精神放松水平单调增大的生理参数范例。于是与基于精神或皮肤电导的测量信号相关联的谱功率水平减小指示更加放松的人。通过响应于测量信号谱功率的降低减小滤波器的最低截止频率，越来越放大可听生物反馈信号中包含的较低频率，本实施例累进地回报人，以实现更高水平的放松。结果，本实施例是有利的，因为其能够更有效地降低人的紧张水平。
在根据本发明的系统的另一优选实施例中，所述滤波器被布置成，如果与样本相关联的谱功率小于谱功率的下界，则将其截止频率维持在最小频率。通过为截止频率建立这样的下界，限制了能够通过减小滤波器最低截止频率而将可听生物反馈信号的低频成分放大的程度。结果，本实施例有效防止了将人暴露于不自然、从而因此使人不愉快的生物反馈信号，其可能导致人意识到用于生物反馈的系统。因此，因为人不必持久并且有意识地尝试放松，所以本实施例的优点是更有效地降低了人的紧张水平。
在根据本发明的系统的另一实际实施例中，所述最小频率在0Hz到3Hz的范围中。
在根据本发明的系统的另一优选实施例中，所述滤波器被布置成，如果与样本相关联的谱功率大于谱功率的上界，则将其最低截止频率维持在最大频率。通过为截止频率建立这样的上界，限制了能够通过提高滤波器最低截止频率而将可听生物反馈信号的低频成分抑制的程度。结果，本实施例有效防止了将人暴露于不自然、从而因此使人不愉快的生物反馈信号，其可能导致人意识到用于生物反馈的系统。因此，本实施例的优点在于更有效地降低了人的紧张水平。
在根据本发明的系统的另一实际实施例中，所述最大频率在1500Hz到2500Hz的范围中。
在根据本发明的另一优选实施例中，所述系统被布置成基于与所述测量信号相关联的谱功率生成累积概率分布，并且其中，所述系统被布置成使所述累积概率分布分别等于低水平和高水平来计算下界和上界。与测量信号相关联的谱功率标称水平，即在没有紧张的情况下可获得的水平，可能在人和人之间不同。对于单个人而言，所述标称水平可以进一步随时间变化。通过基于实际测量信号确定下界和上界，本实施例能够考虑所述标称水平的波动。结果，本实施例能够通过仅对测量信号的诱发紧张部分做出响应，同时通过其标称成分，人为地修改最低截止频率。因此，本实施例有利地更有效地降低了人的紧张水平。
在根据本发明的另一优选实施例中，所述接口包括集成了换能器的一幅耳机。本实施例集成了接口和换能器。结果，有效减少了可能给人带来负担的硬件的量。因此，本实施例是有利的，因为其更有效地降低了人的紧张水平。或者，在另一优选实施例中，可以将接口集成到枕头中，枕头还容纳换能器。
本发明还涉及一种用于在根据本发明的系统中使用的计算机程序产品，包括其中收录计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码当由计算机或处理器执行时，被配置成令计算机实现高通滤波器，用于响应于所述测量信号通过修改所述高通滤波器的截止频率来对生物反馈信号进行变化地滤波。
本发明还涉及一种用于向人提供生物反馈的方法，包括如下步骤：生成源信号；响应于指示人的精神放松的生理参数生成测量信号；响应于所述测量信号修改频率滤波器的截止频率；由所述滤波器对源信号进行滤波，以及基于经滤波的源信号向人提供生物反馈信号。
附图说明
图1A示意性示出了根据本发明的系统的实施例。
图1B和1C示意性地示出了分别用于图1A所示实施例中的带通滤波器和高通滤波器。
图2A示意性示出了根据本发明的系统的实施例，其中，所述系统被布置成计算测量信号的谱功率，并且其中，所述滤波器被布置成响应于谱功率修改其最低截止频率。
图2B、2C、2D和2E提供了用于图2A中所示系统中，将谱功率转换成截止频率的算法的图示。
图3A示意性示出了根据本发明的系统的实施例，其中，所述系统被配置成生成测量信号的谱功率的累积概率分布。
图3B和3C提供了用于图3A所示系统中，将谱功率转换成截止频率算法的图示。
图4示意性地示出了根据本发明的方法的实施例。
具体实施方式
在各幅图中，相同的附图标记指示类似特征。
图1A显示了用于向人104（包括，但不限于患者）提供生物反馈的系统102，包括用于生成源信号108的源106、用于响应于指示人104的精神放松的生理参数114生成测量信号112的换能器110、用于响应于测量信号112通过修改截止频率对源信号108进行变化地滤波的滤波器116，以及用于基于经滤波器116变化地滤波的源信号向人104提供生物反馈信号119的接口118。
在另一范例中，换能器110包括登记大脑活动的非侵入性电极和处理器，所述处理器响应于使用期间生成测量信号的哪个频率内容，选择6Hz至14Hz，优选为7Hz到13Hz，更优选为8Hz至12Hz范围内的这种大脑活动的频率内容。任选地，非侵入式电极或者其多个被集成到人所佩戴的耳机里。
图1B为波特图，其描绘了与任选包括在滤波器116中的带宽滤波器122相关联的频率响应函数的幅度。这一波特图被描绘为双对数曲线图，即，水平轴和垂直轴都采用对数刻度。带通滤波器122具有下截止频率124，确定频带的最小频率，在使用过程中，频率通过该频带而不会被修改，即不会被滤波器116衰减或放大。带通滤波器122被配置为响应于测量信号112而修改其下截止频率124。就波特图而言，所述修改结果是使下截止频率124水平漂移。
图1C为波特图，描绘了与任选包括在滤波器116内的高通滤波器126相关联的频率响应函数的幅度。本波特图被描绘为双对数曲线，即，在水平轴和垂直轴都使用对数刻度。高通滤波器具有截止频率128。在工作状态下，低于截止频率128的频率被高通滤波器126抑制，而高于截止频率128的频率被通过而不加修改。高通滤波器被配置成响应于测量信号112修改其截止频率128。就波特图而言，所述修改结果是使截止频率128水平漂移。可以为高通滤波器126提供一阶动态，但同样可以是更高阶。
图2A显示了用于向人204（包括，但不限于患者）提供生物反馈的系统202，包括用于生成源信号208的源206和换能器210，在这一具体范例中，换能器210被布置成响应于随着人204的精神放松而单调增加的生理参数214生成测量信号212。具有这种性质的生理参数的范例包括但不限于α脑活动。在这一具体范例中，系统202包括用于计算测量信号212的谱功率218的处理器216。系统202还包括滤波器220，其被配置成根据所述最低截止频率222随着所述谱功率218单调减小的关系，响应于谱功率218来修改其最低截止频率。在这一特定情况下，所述关系是嵌入在公知的处理器224中的。此外，系统202还包括接口226，在由滤波器220对源信号208进行变化地滤波的基础上，向人204提供可听的生物反馈信号227。此可听的生物反馈信号227可以包括一段音乐。接口226利用公知的技术，例如耳机。优选地，换能器210集成在所述耳机内。
图2B和2C描绘了将测量信号212的谱功率218映射到滤波器220的最低截止频率222上的关系的范例。图2B和2C中描绘的关系分别确立了谱功率218与截止频率222之间的单调递减线性和指数映射。图2C中所示的指数映射具有相对于谱功率218的单调递减一阶导数。因此，这样的指数映射是有利的，因为它累进地回报更高水平的谱功率218，即更高的放松状态。
或者，在不同的范例中，换能器210被布置成响应于随着人204的精神放松单调减少的生理参数生成测量信号212。具有这种性质的生理参数的范例包括但不限于心率和皮肤电导，即皮肤的电响应。与之配合，参照图2A，处理器224定义了最低截止频率222随着谱功率218单调减小的关系。
图2C和2D描绘了将测量信号212的谱功率218映射到适合系统202使用的最低截止频率222上的关系的范例，前提是换能器210被布置成用于测量随着人的放松程度单调递减的生理参数。图2B和2C描绘的关系分别建立了谱功率218与截止频率222之间单调递增的线性和指数映射。
图3A显示了向人304（包括，但不限于患者）提供生物反馈，更具体而言为神经反馈的系统302。系统302包括用于生成源信号308的源306和换能器310，在这一具体范例中，换能器310被配置成响应于α脑活动生成测量信号312。在这一特定范例中，系统302包括被配置成计算测量信号312的样本n的谱功率的处理器316。系统302还包括滤波器320，其被配置成根据如下关系响应于谱功率修改其最低截止频率322：
其中，P表示谱功率，其中，n表示测量信号312的第n个样本，并且其中，f截止(P(n))表示响应于与所述第n个样本相关联的谱功率的截止频率。
如果P(n)具有介于下界P下和上界P上之间的值，那么通过这一关系，f截止随着所述谱功率P(n)单调线性递减。如果谱功率P(n)低于P下，滤波器320将其截止频率f截止维持在由f截止，最大表示的最大水平。如果谱功率P(n)超过P上，滤波器320将把其截止频率维持在由f截止，最小表示的最低水平。最大水平是在1500Hz到2500Hz的范围内，而最小水平是在1Hz到3Hz的范围内。在这一具体范例中，f截止，最大=2000Hz，并且f截止，最小=2Hz。图3B提供了将谱功率P(n)映射到截止频率f截止上的关系的图示。
参照图3A，所述关系是通过处理器324实现的。在这一特定范例中，系统302还包括本身公知的处理器326，其被配置成基于与测量信号312的样本相关联的谱功率318生成的累积概率分布328。处理器326还被布置成通过使累积概率分布分别等于低水平和高水平来计算下界P下和上界P上。例如，将低水平设定为0.15而将高水平设定为0.85。图3C提供了累积概率分布328的图示。
再次参考图3A，系统302包括用于向人或者人304提供生物反馈信号331的接口330。所述生物反馈信号331包括可听分量，诸如一段音乐，并且是基于经滤波器320变化地滤波的源信号308而生成的。为了给人或者人304提供生物反馈信号331，接口330采用本身公知的技术，诸如一幅耳机。
图4示意性示出了用于向人提供生物反馈的方法402，包括如下步骤：生成404生物反馈信号，响应于指示人的精神放松的生理参数生成406测量信号，响应于测量信号的频率修改408滤波器的截止频率，用所述低通滤波器410对生物反馈信号进行滤波，以及向人提供412生物反馈信号。
尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但例示和描述被认为是例示性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。实施例的其他组合是可行的。要指出的是，通过应用公知的工艺和材料制造根据本发明的系统和所有其部件。在权利要求和说明书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。进一步要指出，权利要求中定义的特征的全部可能组合都是本发明的部分。

Claims (15)

1.一种用于向人(104、204、304)提供生物反馈的系统(102、202、302)，包括：
-源(106、206、306)，其用于生成源信号(108、208、308)，
-换能器(110、210、310)，其用于响应于指示所述人的精神放松的生理参数(114、214、314)生成测量信号(112、212、312)，
-滤波器(116、220、320)，其用于通过响应于所述测量信号修改截止频率来对所述源信号进行变化地滤波，以及
-接口(118、226、330)，其用于基于经所述滤波器变化地滤波的源信号向所述人提供生物反馈信号(119、227、231)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口(226)被布置成提供包括可听分量的生物反馈信号(227)，并且其中，所述滤波器(220)被配置成响应于所述测量信号(212)修改所述滤波器(220)的最低截止频率(222)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换能器(110)被布置成响应于在7Hz到13Hz的频率范围中的大脑活动生成所述测量信号(112)。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述滤波器(116)包括带通滤波器(122)，其被配置成响应于所述测量信号(112)修改所述滤波器(116)的最低截止频率(124)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述滤波器(116)包括高通滤波器(126)，其被配置成响应于所述测量信号(112)修改所述滤波器(116)的最低截止频率(128)。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述换能器(210、310)被配置成响应于随着所述人(204、304)的精神放松而单调增大的生理参数(214、314)生成所述测量信号(212、312)，其中，所述系统(202、302)被布置成计算所述测量信号的谱功率(218、318)，并且其中，所述滤波器(220、320)被布置成根据所述滤波器(220、320)的最低截止频率(222、322)随着所述谱功率单调减小的关系、响应于所述谱功率修改所述最低截止频率。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述换能器(210)被配置成响应于随着所述人(204)的精神放松而单调减小的生理参数(214)生成所述测量信号(212)，其中，所述系统(202)被布置成计算所述测量信号的谱功率(218)，并且其中，所述滤波器(220)被布置成根据所述滤波器(220)的最低截止频率(222)随着所述谱功率单调增大的关系、响应于所述谱功率修改所述最低截止频率。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述滤波器(320)被布置成，如果与样本相关联的谱功率小于谱功率的下界，则将所述滤波器(320)的截止频率维持在最小频率。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述最小频率在0Hz到3Hz的范围中。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述滤波器(320)被布置成，如果与样本相关联的谱功率大于谱功率的上界，则将所述滤波器(320)的最低截止频率维持在最大频率。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述最大频率在1500Hz到2500Hz的范围中。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统(302)被布置成基于与所述测量信号(312)的样本相关联的谱功率(318)生成累积概率分布(328)，并且其中，所述系统被布置成通过使所述累积概率分布分别等于低水平和高水平来计算所述谱功率的下界和上界。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口(226)包括其中集成了所述换能器(210)的一副耳机。
14.一种用于向人提供生物反馈的装置，包括：
-用于生成源信号的模块，
-用于响应于指示所述人的精神放松的生理参数生成测量信号的模块，
-用于响应于所述测量信号修改频率滤波器的截止频率的模块，
-用于由所述频率滤波器对所述源信号进行滤波的模块，以及
-用于基于经滤波的源信号向所述人提供生物反馈信号的模块。
15.一种用于向人提供生物反馈的方法(402)，包括如下步骤：
-生成(404)源信号，
-响应于指示所述人的精神放松的生理参数生成(406)测量信号，
-响应于所述测量信号修改(408)频率滤波器的截止频率，
-由所述频率滤波器对所述源信号进行滤波(410)，以及
-基于经滤波的源信号向所述人提供(412)生物反馈信号。
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