CN104825160A - 脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明要提供了一种脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统及其使用方法，其包括脑波撷取单元、运算处理单元、反馈触觉诱发信号产生单元和输出单元，脑波撷取单元与运算处理单元的输入端相连接；运算处理单元的输出端与反馈触觉诱发信号产生单元对应连接，反馈触觉诱发信号产生单元与输出单元对应连接。本发明能让使用者更为快速、顺利地进入深层睡眠状态，并且令使用者获得较高的睡眠质量，能够起到有效的促进睡眠的作用。
Description
技术领域
本发明涉及脑波反馈和控制技术领域，具体涉及一种脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统及其使用方法。
背景技术
人体大脑皮质有垂直排列的椎体神经元（neuron）分布，神经元内的树突和细胞体在进行活动时会产生局部的电位变化，即所谓的生理电位，由于人体大脑皮质细胞互相连接在一起，使得靠近大脑皮质附近的椎体神经元能够产生相同的电位变化。脑波，亦称脑电波（Electroencephalogram,EEG），是大脑在活动时，脑皮质细胞群之间形成电位差，从而在大脑皮质的细胞外产生电流。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。脑波的生理电位很微弱，相当于约5～30微伏的交流讯号。
随着电子工学的进步，使得脑波的周波数也能利用仪器予以进行测定，且不同的脑波振动能与人类的意识活动有某种程度的相互对应，因此，国际脑波学会针对脑波不同震动的周波数将脑波定名为α、β、θ、δ波。其中：
α波，其频率为8～14Hz，α为优势脑波时，人的意识清醒，但身体却是放松的，其提供意识与潜意识的桥梁，由于在这种状态下，身心能量耗费最少，相对地脑部所获得的能量较高，运作就会更加快速、顺畅、灵感及直觉敏锐，脑的活动活泼，α波系为人们学习与思考的最佳脑波状态。
β波，其频率系为14Hz以上，β波为优势脑波时，是人清醒时的大部份脑波状态，随着β波的增加，人体逐渐成紧张状态，准备随时因应外在环境反应，大脑能量除了维持本身系统的运作外，尚须指挥对外防御系统作准备，因而消减了体内免疫系统能力，在此状态下人的身心能量耗费较剧，快速疲倦，若没有充份休息，非常容易堆积压力；然而，适量的β波，对积极的注意力提升，以及认知行为的发展有着关键性的帮助。
θ波，其频率为4～8Hz，θ波为优势脑波时，人的意识中断，身体深沉放松，这是一种高层次的精神状态，也就是常听到的“入定态”，在这样的状态下，由于意识中断使得平常清醒时所具有批判性或道德性的过滤机制被埋藏起来，因而大开心灵之门，对于外界的讯息呈现高度的受暗示性状态（Hyper-suggestibility），这就是为什么人在被催眠时会容易接收外来的指令；此外，θ波与脑部边缘系统有非常直接的关系，对于触发深层记忆、强化长期记忆（LTP）等帮助极大。
δ波，其频率为0.4～4Hz，δ波为优势脑波时，为深度熟睡，无意识状态，人的睡眠质量好坏与δ波有非常直接的关联；δ睡眠是一种无梦且很深沉的睡眠状态，通常一夜正常的睡眠周期会出现四至五次，而发生在睡眠初期第一个出现周期是无梦的δ波（Non-REM）状态，所以，如果在辗转难眠时，能让自己召唤出近似δ波边缘状态的身心感觉，就可以很快地摆脱失眠并进入深沉睡眠。
因此，针对脑波与睡眠之间的关系，通过影响脑波来改善人的睡眠质量、帮助失眠者快速入睡成为一项重要的研究课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够帮助使用者快速入睡并提高睡眠质量的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，包括脑波撷取单元、运算处理单元、反馈触觉诱发信号产生单元和输出单元，所述脑波撷取单元与所述运算处理单元的输入端相连接；所述运算处理单元的输出端与所述反馈触觉诱发信号产生单元对应连接，所述反馈触觉诱发信号产生单元与所述输出单元对应连接；
所述脑波撷取单元监测脑波信号并将该信号传送至所述运算处理单元，所述运算处理单元将收到的脑波信号进行运算处理，根据运算结果控制所述反馈触觉诱发信号产生单元产生相应的反馈诱发信号，所述输出单元将该反馈诱发信号输出。
其中，所述反馈触觉诱发信号产生单元用于输出由数个基础频率及振幅所组合成的杂和hybrid频谱。
优选的，所述脑波撷取单元包括脑波仪，所述运算处理单元包括PIC单片机，所述脑波仪与所述PIC单片机对应连接；所述反馈触觉诱发信号产生单元包括数位信号转换器、与所述数位信号转换器对应连接的运算放大器，所述PIC单片机与所述数位信号转换器对应连接，所述运算放大器与所述输出单元对应连接。
优选的，所述反馈触觉诱发信号产生单元还包括可调稳压电源输出控制电路和信号调整控制电路，所述可调稳压电源输出控制电路连接于所述放大器与所述输出单元之间，所述信号调整控制电路与所述输出单元对应连接。
优选的，所述输出单元包括贴片式电极传感器。
优选的，所述输出单元还包括声音输出装置和/或强弱闪烁光输出装置。
优选的，所述反馈触觉诱发信号产生单元输出的电压值在0.1～12V之间，输出的电流值为0.02A。
本发明还提供一种使用上述系统促进睡眠的方法，包括下列步骤：
（1）使用该脑波撷取单元检测使用者的脑波信号，将输出单元与使用者对应连接；
（2）该脑波撷取单元检测到的脑波信号传送至该运算处理单元，该运算处理单元经由傅氏运算、功率运算、熵值运算得到特征频谱S1、功率谱PS1及熵值谱ES1；
（3）该运算处理单元根据运算结果控制反馈触觉诱发信号产生单元产生反馈诱发信号，并控制和调整输出单元的输出频率及振幅，通过输出单元将该反馈诱发信号传递给使用者，使得使用者的脑部神经自动调整产生接近该特征频谱S1的频谱信号S2，再将该频谱信号S2设为输入频谱，并由反馈触觉诱发信号产生单元控制输出单元向使用者进行传输输出；
（4）向使用者输出该频谱信号S2的同时，检测使用者的脑波频率，如果检测到的脑波频率受到强化，则进行步骤（5）；如果检测到的脑波频率没有受到强化，则重复进行步骤（1）至（4）；
（5）将该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱进行比对，如果该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱相匹配，则进行步骤（6）；如果该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱不相匹配，则利用模糊理论及类神经网络算法将频谱信号S2部份输出频率进行调整，然后重复步骤（4）；
（6）输出单元维持该输出频率与振幅，让使用者的脑波受到反馈调节至与该输出频率与振幅相同，然后逐渐进入睡眠状态。
优选的，在输出单元进行频率输出的同时，使用声音输出装置和/或强弱闪烁光输出装置向使用者传输相应的声音和/或强弱闪烁光信号。
本发明的有益效果在于：
本发明利用脑波与睡眠的关系，检测使用者的脑波信号，经过运算处理，利用反馈优化得到稳定持续的电波诱发信号，然后采用稳定持续的对使用者传输与睡眠波频谱相匹配的频谱信号的方式，让使用者更为快速、顺利地进入深层睡眠状态，并且令使用者获得较高的睡眠质量，能够起到有效的促进睡眠的作用。
附图说明
图1是本发明脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统的架构示意图；
图2是本发明主电路部分的电气原理图；
图3是本发明主电路部分的电路连接示意图；
图4是本发明的工作流程图；
其中，101为运算放大器；102为可调稳压电源输出控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：一种脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，参见图1-图3，包括脑波撷取单元、运算处理单元、反馈触觉诱发信号产生单元和输出单元，脑波撷取单元与运算处理单元的输入端相连接；运算处理单元的输出端与反馈触觉诱发信号产生单元对应连接，反馈触觉诱发信号产生单元与输出单元对应连接。
脑波撷取单元监测脑波信号并将该信号传送至运算处理单元，运算处理单元将收到的脑波信号进行运算处理，根据运算结果控制反馈触觉诱发信号产生单元产生相应的反馈诱发信号，输出单元将该反馈诱发信号输出。
反馈触觉诱发信号产生单元用于输出由数个基础频率及振幅所组合成的杂和hybrid频谱。脑波撷取单元包括脑波仪，运算处理单元包括PIC单片机，脑波仪与PIC单片机对应连接；反馈触觉诱发信号产生单元包括数位信号转换器、与数位信号转换器对应连接的运算放大器，PIC单片机与数位信号转换器对应连接，运算放大器与输出单元对应连接。反馈触觉诱发信号产生单元还包括可调稳压电源输出控制电路和信号调整控制电路，可调稳压电源输出控制电路连接于放大器与输出单元之间，信号调整控制电路与输出单元对应连接。输出单元包括贴片式电极传感器。
在该系统的主电路部分中，脑波仪检测到的信号通过一个串行通讯元件HIN232CPZ，被传送到运算处理单元的单片机PIC16F1934中，经过单片机的运算处理，将控制信号传递给数位信号转换器MCP4802，数位信号转换器MCP4802将数位信号转换为电压信号，再经过运算放大器将信号放大后通过输出单元进行输出，可调稳压电源输出控制电路能够依照需求对输出信号进行调整、稳压，信号调整控制电路用于进行输出信号频率的调整控制。在反馈触觉诱发信号产生单元中，输出的电压值控制在0.1到12V安全范围内，输出的电流值是0.02安培的安全电流。
实施例2，一种脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，与实施例1的不同之处在于，输出单元还包括声音输出装置和强弱闪烁光输出装置。
实施例3：一种使用实施例1所述系统促进睡眠的方法，参见图4，包括下列步骤：
（1）使用该脑波撷取单元检测使用者的脑波信号，将输出单元与使用者对应连接；
（2）该脑波撷取单元检测到的脑波信号传送至该运算处理单元，该运算处理单元经由傅氏运算、功率运算、熵值运算得到特征频谱（characteristic frequency）S1、功率谱(power density spectrum)PS1及熵值谱（entropy spectrum）ES1；
（3）该运算处理单元根据运算结果控制反馈触觉诱发信号产生单元产生反馈诱发信号，并控制和调整输出单元的输出频率及振幅，通过输出单元将该反馈诱发信号传递给使用者，使得使用者的脑部神经自动调整产生接近该特征频谱S1的频谱信号S2，再将该频谱信号S2设为输入频谱，并由反馈触觉诱发信号产生单元控制输出单元向使用者进行传输输出；
（4）向使用者输出该频谱信号S2的同时，检测使用者的脑波频率，如果检测到的脑波频率受到强化，则进行步骤（5）；如果检测到的脑波频率没有受到强化，则重复进行步骤（1）至（4）；
（5）将该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱进行比对，如果该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱相匹配，则进行步骤（6）；如果该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱不相匹配，则利用模糊理论及类神经网络算法将频谱信号S2部份输出频率进行调整，然后重复步骤（4）；
（6）输出单元维持该输出频率与振幅，让使用者的脑波受到反馈调节至与该输出频率与振幅相同，然后逐渐进入睡眠状态。
实施例4：一种使用实施例2所述系统促进睡眠的方法，与实施例3的不同之处在于，在输出单元进行频率输出的同时，使用声音输出装置和强弱闪烁光输出装置向使用者传输相应的声音和强弱闪烁光信号。
在以上实施例中所涉及的仪器、部件、电路如无特别说明，均为常规仪器、部件和电路。
本发明的工作原理和具体实施方式如下：
利用不同的脑波对人体产生不同影响的原理，对使用者输出反馈诱发信号，促进使用者的脑部产生有助于睡眠的δ波、抑制让思维活跃的α波，通过持续稳定地向使用者输出睡眠波频谱，让使用者快速、顺利地进入深层睡眠状态，令使用者获得较佳的睡眠质量。
在使用本发明脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统时，先将脑波仪上的电极贴片贴附于使用者头部，测量前额2个通道的脑波。得到的脑波信号通过串行通讯元件或蓝牙芯片被传送至运算处理单元，运算处理单元经由快速傅立叶分析(FFT)出其中的频率，经过运算处理后，发出控制信号，反馈触觉诱发信号产生单元的数位信号转换器将收到的数位信号转换为电压信号，然后经由运算放大器将信号放大，可调稳压电源输出控制电路依照需求对输出信号进行调整、稳压，信号调整控制电路进行输出信号频率的调整控制后，作为反馈信号经由输出单元输出。输出单元通过贴片式电极传感器将反馈信号传送到使用者的手臂上，藉由手臂上的神经将反馈信号传入使用者脑中。此时，再由脑波仪将使用者头部的EEG信号读取出来，传送至运算处理单元，运算处理单元利用快速傅立叶分析将其中的α波或是β、γ、μ波分析出来，然后计算每个频率的功率密度(power density)，将所得的结果反馈至反馈触觉诱发信号产生单元，反馈触觉诱发信号产生单元调整输出信号的电压和频率后，再次将输出信号传送给使用者。经过多次反馈后，脑神经被影响，逐渐会和输入的电压与频率相匹配，EEG所产生的α波或是β、γ、μ波被分辨出来，此时的EEG波段的诱发电位，就是反馈触觉诱发信号产生单元提供的输出频率的电压值。诱发出特定频段脑波后，维持输出单元的频率与振幅，向使用者持续稳定地输出该频谱，让使用者在睡眠波频谱的影响下，逐渐进入深层睡眠状态。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (9)
1. 一种脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，包括脑波撷取单元、运算处理单元、反馈触觉诱发信号产生单元和输出单元，
所述脑波撷取单元与所述运算处理单元的输入端相连接；所述运算处理单元的输出端与所述反馈触觉诱发信号产生单元对应连接，所述反馈触觉诱发信号产生单元与所述输出单元对应连接；
所述脑波撷取单元监测脑波信号并将该信号传送至所述运算处理单元，所述运算处理单元将收到的脑波信号进行运算处理，根据运算结果控制所述反馈触觉诱发信号产生单元产生相应的反馈诱发信号，所述输出单元将该反馈诱发信号输出。
2. 根据权利要求1所述的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，所述反馈触觉诱发信号产生单元用于输出由数个基础频率及振幅所组合成的杂和hybrid频谱。
3. 根据权利要求1所述的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，所述脑波撷取单元包括脑波仪，所述运算处理单元包括PIC单片机，所述脑波仪与所述PIC单片机对应连接；所述反馈触觉诱发信号产生单元包括数位信号转换器、与所述数位信号转换器对应连接的运算放大器，所述PIC单片机与所述数位信号转换器对应连接，所述运算放大器与所述输出单元对应连接。
4. 根据权利要求3所述的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，所述反馈触觉诱发信号产生单元还包括可调稳压电源输出控制电路和信号调整控制电路，所述可调稳压电源输出控制电路连接于所述放大器与所述输出单元之间，所述信号调整控制电路与所述输出单元对应连接。
5. 根据权利要求4所述的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，所述输出单元包括贴片式电极传感器。
6. 根据权利要求5所述的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，所述输出单元还包括声音输出装置和/或强弱闪烁光输出装置。
7. 根据权利要求1所述的脑波反馈控制脑神经诱发电位的系统，其特征在于，所述反馈触觉诱发信号产生单元输出的电压值在0.1～12V之间，输出的电流值为0.02A。
8. 一种使用权利要求1所述系统促进睡眠的方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）使用该脑波撷取单元检测使用者的脑波信号，将输出单元与使用者对应连接；
（2）该脑波撷取单元检测到的脑波信号传送至该运算处理单元，该运算处理单元经由傅氏运算、功率运算、熵值运算得到特征频谱S1、功率谱PS1及熵值谱ES1；
（3）该运算处理单元根据运算结果控制反馈触觉诱发信号产生单元产生反馈诱发信号，并控制和调整输出单元的输出频率及振幅，通过输出单元将该反馈诱发信号传递给使用者，使得使用者的脑部神经自动调整产生接近该特征频谱S1的频谱信号S2，再将该频谱信号S2设为输入频谱，并由反馈触觉诱发信号产生单元控制输出单元向使用者进行传输输出；
（4）向使用者输出该频谱信号S2的同时，检测使用者的脑波频率，如果检测到的脑波频率受到强化，则进行步骤（5）；如果检测到的脑波频率没有受到强化，则重复进行步骤（1）至（4）；
（5）将该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱进行比对，如果该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱相匹配，则进行步骤（6）；如果该频谱信号S2与使用者的睡眠波频谱不相匹配，则利用模糊理论及类神经网络算法将频谱信号S2部份输出频率进行调整，然后重复步骤（4）；
（6）输出单元维持该输出频率与振幅，让使用者的脑波受到反馈调节至与该输出频率与振幅相同，然后逐渐进入睡眠状态。
9. 根据权利要求8所述的促进睡眠的方法，其特征在于，在输出单元进行频率输出的同时，使用声音输出装置和/或强弱闪烁光输出装置向使用者传输相应的声音和/或强弱闪烁光信号。
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