CN104257381A - 一种基于脑电波信号的音频助眠装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脑电波信号的音频助眠装置，以DSP处理器作为核心，实现脑波信号、脉搏、眼动和头动等信号的实时分析，通过信号分析的综合结果来界定使用者处于的睡眠状态，根据睡眠的程度，选择音频存储器中的不同的音频，来帮助使用者进入睡眠，进入睡眠后，设备进入待机模式，自动关闭音频。本发明助眠效果好，对于人体有很好的适应性，测量传感器和电极安装在头带中，贴于使用者的前额，不干扰使用者的睡眠姿势；系统的操作全自动，不需要任何外界的调节指令；音频输出采用贴片式耳麦或骨传导模块传感器，置于头带中或枕头里面，不进入耳道，因此不会产生长期的不舒服感。

Description

一种基于脑电波信号的音频助眠装置

技术领域

本发明涉及助眠装置，特别是涉及一种基于脑电波信号的音频助眠装置。

背景技术

人脑每个细胞都包含有一个巨大的电化复合体和功能强大的微数据处理及传递系统，大脑工作时，神经细胞中离子运动产生电流，大脑150亿的神经元不断释放出微电流。大脑总的电流活动情况可以用脑电分析仪测量记录下来，这种大脑电流活动的形态各不相同，有快有慢，由此产生了各种频率的脑电波。神经科学界根据脑波的频率分成五个主要类别β脑波、α波、β波、δ波和κ波，这五种脑波与人体的睡眠时和觉醒时紧密联系。音频不是一种单纯的消遣， 我们也许都有过这样的体会，在高兴时常会情不自禁地哼起歌来，而当遇到情绪烦躁或者精神苦闷时，听到旋律优美、节奏平衡的音频后，会感到自己舒缓很多。音频是一类特殊制作的、富含低频、以正弦波为主的治疗性乐曲，对人体不产生任何副作用，用音频助眠是目前最为科学的一种方式。

现有的一些催眠仪是通过不同催眠音乐组合和变化诱导听者进入睡眠，这些催眠仪的缺点是不能根据失眠者脑波信号、眼动和头动等信号进行实时分析，随时更换或停止音乐播放，助眠效果比较差，有的甚至会干扰使用者的睡眠。

发明内容

为了帮助失眠患者适应不同环境下的睡眠，本发明提供了一种基于脑电波信号的音频助眠装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于脑电波信号的音频助眠装置，包括主机、信号检测测量系统、MP3播放器与耳机，所述主机包括DSP处理器、信号处理模块、通讯模块、音频存储器、实时时钟闹钟按键模块、供电模块，所述信号检测测量系统包括导电布前额脑电波测量传感器、导电布眼动信号测量传感器、导电布脉搏检测测量传感器、动作测量传感器，所述DSP处理器分别连接信号检测测量系统、信号处理模块、通讯模块、音频存储器、实时时钟闹钟按键模块、供电模块、MP3播放器、开关与音量按键，所述音频存储器连接MP3播放器，所述MP3播放器连接耳机，所述通讯模块分别连接蓝牙模块与USB插口。

优选的，所述的耳机采用贴片式耳麦。

所述的导电布前额脑电波测量传感器采用电极。

所述的导电布眼动信号测量传感器采用脑电波测量传感器。

所述的导电布脉搏检测测量传感器采用光电传感器。

所述的动作测量传感器采用加速度传感器。

本发明的有益效果是：助眠效果好，对于人体有很好的适应性，测量传感器和电极安装在头带中，贴于使用者的前额，不干扰使用者的睡眠姿势；系统的操作全自动，不需要任何外界的调节指令；音频输出采用贴片式耳麦，置于头带中，不进入耳道，因此不会产生长期佩戴的不舒服感。

附图说明

 图1为本发明的较佳实施方式结构框图。

图2为本发明的较佳实施方式控制流程图。

具体实施方式

参照图1，一种基于脑电波信号的音频助眠装置，包括主机、信号检测测量系统、MP3播放器与耳机，所述主机包括DSP处理器、信号处理模块、通讯模块、音频存储器、实时时钟闹钟按键模块、供电模块，所述信号检测测量系统包括导电布前额脑电波测量传感器、导电布眼动信号测量传感器、导电布脉搏检测测量传感器、动作测量传感器，所述DSP处理器分别连接信号检测测量系统、信号处理模块、通讯模块、音频存储器、实时时钟闹钟按键模块、供电模块、MP3播放器、开关与音量按键，所述音频存储器连接MP3播放器，所述MP3播放器连接耳机，所述通讯模块分别连接蓝牙模块与USB插口。

本发明导电布前额脑电波测量传感器采用电极，导电布眼动信号测量传感器采用脑电波测量传感器，导电布脉搏检测测量传感器采用光电传感器，动作测量传感器采用加速度传感器，这些传感器和电极安装在头带中。

本发明采用贴片式耳麦，置于头带中，不进入耳道，因此不会产生长期佩戴的不舒服感。

本发明带有实时时钟闹钟按键模块，可以显示实时时间年月日和存储闹铃时间，附带作为钟表和闹钟的功能，通过按键设定修改时间。

本发明供电模块采用3V纽扣电池供电，或者采用3.7V可充电电池供电。纽扣电池或者充电电池经过电压调节电路后，供应到各个芯片环节。电源调节电路为信号采集和CPU运行提供稳定的电压和电流，保证微弱信号的顺利采集。 

本发明的MP3播放器可以播放mp3,wav等格式的音频，MP3播放的音量可以通过外围的按键进行调节。MP3播放器根据DSP处理器发来的信号，从音频存储器中选择播放体感音频，从而使使用者平静下来，逐渐进入睡眠。

本发明还可以通过骨传导模块传感器传播音频，将骨传导模块传感器置于枕头里面，骨传导模块连接DSP处理器，由DSP处理器控制骨传导模块传播音频。

本发明的音频可以从本公司的网站上下载，根据不同人群的需要，下载不同的音频，以适应不同人群和环境的需要，下载的音频可通过蓝牙或者USB上传到设备。通过蓝牙修改程序版本，不同版本可以增加功能或者改变测量方式，或者某个传感器的使用方式。使用蓝牙，下载参数匹配，不同的用户，可以在智能手机上存着不同的配置方式，这样可以根据个人在某个时间段的需要，修改参数。使用蓝牙，把用户睡眠时间，睡眠质量等上传到手机，手机就作为设备的显示屏幕使用，例如目前使用的那些睡眠监测腕带的功能。采用蓝牙通讯，下载新的播放音乐，改变音乐的播放频率，播放顺序等。配置大脑信号采集芯片的参数，使用原始神经信号或者提炼出来的神经信号。

本发明脑电波测量的具体技术方案如下：

（1）传感器头采用导电布作为电极，消除了普通电极的不舒适感；

（2）采用三电极方式，两个电极作为信号采集电极，第三个电极作为参考信号；

（3）三个电极都缝纫在头带上，既能与皮肤紧密接触，又不产生不舒服感；

（4）两个采集电极分别位于前额，采集脑电信号，第三个电极参考电极位于耳垂部；

（5）脑电波信号处理电路采用高阻差分输入，以有效的采集微弱的脑电信号，采集的信号进行共模和差模滤波；

（6）采用带宽可调的低通和带通滤波器，以便采集不同频率的脑电信号，优化信噪比；

（7）电路植入50Hz或者60Hz的可选带阻滤波器，以消除工频干扰；

（8）前置放大具有自调零功能，自动消除直流干扰功能；

（9）前置放大具有自调增益功能。

本发明脉搏测量的具体技术方案如下：

（1）采用了贴于前额的光电传感器来测量脉搏；

（2）采用波峰为820-880nm的红外LED作为光源，采用反射式方式接受经过毛细血管的红外信号，这些反射回来的红外信号携带有脉搏信息，采用信号采集和分析电路，就可以得到脉搏的信息；     

（3）红外LED和光电三极管安装在头带中，两个芯片的距离大约3mm左右，安装夹角大约5-10度，以便于获得最大的反射信号； 

（4）戴上头带，使用者应该确保两个芯片位于某一边眼眉正中上方大约5mm的位置，该位置是一个大脑供应主血管位置，可以最大程度的获得脉搏信息；

（5）测量电路包括前置放大，低通滤波，50/60Hz带阻滤波，后置放大和脉冲信号转换；

（6）转换后的脉冲信号输入处理芯片的I/O口或者计数器，计算脉搏。

为了能更清楚地理解本发明的技术方案，详细说明一下脑电波信号、脉搏信号与睡眠分期建立的映射关系，具体过程如下:

（1）当人体在清醒的时候，脑波的状态会处于高频率、低波幅的β波，开始进入思睡期时，脑波的状态会降到每秒8～12次的α波，这时候身体会处于放松状态，脉搏处于正常；

（2）到了S1期，脑波的状态会开始下降到每秒4～8次的θ波，这时心跳和呼吸都会逐渐缓和下来，肌肉也会更放松，脉搏逐渐变慢；

（3）通常S1状态维持10～25分钟之后，就会进入S2的阶段，进入S2阶段的时候，脑波会以θ为主，但是会夹杂着κ波, 这时候肌肉会减少活动，对外界发生的事几乎完全无法意识，这个阶段占总睡眠时间约40～50％，脉搏比正常减少10%以上；

（4）经过S2期之后，接着就是深沉睡眠的S3期，在S3期可以观察到大脑脑波会下降到每秒0.5～2次的δ波，在这个时期很难被叫醒，就算勉强叫醒，还是会出现一阵昏沉呆滞，但是此时全身的肌肉会完全放松，血压、脉搏和呼吸也会降到最低，是睡眠深度最深的阶段，特别的是，多数的夜惊、说梦话、梦游，也都发生在这个时期，这个阶段脉搏处于平稳，但是比正常情况减少10次以上；

（5）在S3期结束后，会先进入S2期，然后再进入快速动眼期，在快速动眼期，脑波会变得很快速，甚至比清醒时还要强烈，这时身体肌肉最放松，甚至几近瘫痪，心跳、血压跟呼吸频率都会上升，快速动眼期也是人最容易做梦的时候，一般认为做梦是大脑重新整理白天资讯，转化成长期记忆，并且增加神经连结来加强学习的结果。

如图2所示，为本发明的较佳实施方式控制流程图，结合控制流程图说明本发明工作过程，具体如下：

（1）使用者戴上本设备的头带或者头套，打开电源，开始播放第一段催眠的音频；

（2）脑电波传感器和加速度传感器检测人体的脑电波信号和是否有动静信号，如果检测到人体任然处于清醒状态，继续播放第一段催眠音频，如果检测到人体开始安静下来，播放第二段音频，该段音频继续给人宽松的氛围，以利于人体进入下一步睡眠；

（3）脑电波继续检测人体的生物信号，根据检测的结果判断人体睡眠程度，播放不同段的音频，直到人体进入沉睡，设备自动关闭音频，进入待机模式，当设备检测到人体脑电波强烈信号判断人体处于清醒状态，设备再次启动。 

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种基于脑电波信号的音频助眠装置，其特征在于：包括主机、信号检测测量系统、MP3播放器与耳机，所述主机包括DSP处理器、信号处理模块、通讯模块、音频存储器、实时时钟闹钟按键模块、供电模块，所述信号检测测量系统包括导电布前额脑电波测量传感器、导电布眼动信号测量传感器、导电布脉搏检测测量传感器、动作测量传感器，所述DSP处理器分别连接信号检测测量系统、信号处理模块、通讯模块、音频存储器、实时时钟闹钟按键模块、供电模块、MP3播放器、开关与音量按键，所述音频存储器连接MP3播放器，所述MP3播放器连接耳机，所述通讯模块分别连接蓝牙模块与USB插口。

2.根据权利要求1所述的基于脑电波信号的音频助眠装置，其特征在于：所述的耳机采用贴片式耳麦。

3.根据权利要求1所述的基于脑电波信号的音频助眠装置，其特征在于：所述的导电布前额脑电波测量传感器采用电极。

4.根据权利要求1所述的基于脑电波信号的音频助眠装置，其特征在于：所述的导电布眼动信号测量传感器采用脑电波测量传感器。

5.根据权利要求1所述的基于脑电波信号的音频助眠装置，其特征在于：所述的导电布脉搏检测测量传感器采用光电传感器。

6.根据权利要求1所述的基于脑电波信号的音频助眠装置，其特征在于：所述的动作测量传感器采用加速度传感器。