CN115227938B - 基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置及方法 - Google Patents

基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能睡眠脑调控领域，为了快速消除睡眠惰性，提供了基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，包括：脑电采集模块，脑电信号处理模块，数据传输模块及刺激模块。基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，包括：步骤1、采集脑电信号并对其进行预处理；步骤2、根据预处理后的脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；步骤3、刺激模块根据控制指令对使用者进行相应刺激。采用上述方式可以帮助使用者快速消除睡眠惰性，提高个体的警觉性。

Description

基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置及方法
技术领域
本发明涉及智能睡眠脑调控技术领域，具体是一种基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置及方法。
背景技术
睡眠惰性是睡眠和觉醒之间复杂过渡的一部分，它指的是醒来后立即出现的一段短暂的警惕性下降、意识混乱、认知和行为表现受损的时期。在这段时间里，大多数人都有昏昏沉沉、醒来不完全的感觉，人们倾向于重新进入睡眠。通常情况下，睡眠惰性可以持续15到30分钟，对于一个睡眠不足的人来说，它可以持续到4个小时。睡眠惰性会影响一个人的警觉性、视觉、沟通、反应时间和决策能力。人在醒来后3分钟内的决策能力只有入睡前最佳决策能力的0.5％左右。如果警觉性和注意力降低，决策能力会下降到50％。醒来后30分钟，决策能力仍可能比最佳表现低20％。决策能力的低下容易造成安全事故，如在交通运输中，从睡眠中醒来后，由于睡眠惰性，空中和道路交通都容易发生事故，因为驾驶涉及到不同的认知、知觉、运动和决策技能。
光照是重要的授时因子，会影响昼夜节律，并直接影响觉醒、情绪和认知，这些现象被称非成像光学功能。生理对光的反应取决于暴露的光强和持续时间等。通过增加光暴露的强度和时间，可有效缓解睡眠惰性，提高个体的警觉性。
发明内容
为了快速消除睡眠惰性，同时提高个体的警觉性，本发明提供了一种基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置及方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，包括：
脑电采集模块：用于采集脑电信号；
脑电信号处理模块：用于根据脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；
数据传输模块：用于将脑电信号处理模块生成的控制指令传输至刺激模块；
刺激模块：用于根据控制指令对使用者进行相应刺激。
进一步地，所述刺激模块为光照模块、震动模块和/或音乐模块。
进一步地，当所述刺激模块为光照模块时，通过控制光照强度进行刺激。
基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，应用于基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，包括：
步骤1、采集脑电信号并对其进行预处理；
步骤2、根据预处理后的脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；
步骤3、刺激模块根据控制指令对使用者进行相应刺激。
进一步地，所述预处理包括去除基线、带通滤波。
进一步地，所述步骤2计算困倦程度的具体步骤包括：
步骤211、获取预处理后同一时间不同电极之间所采集的脑电信号的瞬时相位；
步骤212、分别计算任意两个电极对应的瞬时相位差φmn(t)及锁相值PLVmn，
Figure BDA0003732920100000021
Figure BDA0003732920100000022
其中，j是虚数单位，N是脑电信号的长度；
步骤213、计算所有电极对应的总体锁相值PLV，
Figure BDA0003732920100000023
进一步地，所述步骤2计算警觉程度的具体步骤包括：
步骤221、脑电信号做离散傅里叶变换，并计算脑电信号的总能量值Eall、alpha频段的能量值Ealpha及gamma频段的能量值Egamma；
步骤222、分别计算alpha频段、gamma频段的能量值与总能量值的比值ralpha和rgamma；
步骤223、计算总警觉程度ralert，ralert＝ralpha+rgamma。
进一步地，所述刺激模块为光照模块。
进一步地，所述步骤2根据困倦程度及警觉程度生成控制指令的具体步骤为：
比较ralert与PLV：
若PLV>ralert，则光照强度lux＝lmax×(PLV-ralert),lmax表示最大光强；
若PLV≤ralert，则比较rgamma与ralpha：
若ralpha>rgamma，则lux＝lmax×ralert-PLV×ralpha/ralert；
若ralpha≤rgamma，则lux＝lmax×ralert-PLV×(rgamma-ralpha)/ralert；
若ralert>预设值，则停止刺激，所述预设值用于判断睡眠惰性是否被消除。
进一步地，所述预设值为0.9。
本发明相比于现有技术具有的有益效果是：根据脑电信号实时计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令对刺激模块的相关参数进行调整，以帮助使用者快速消除睡眠惰性，同时提高个体的警觉性。
附图说明
图1为基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置的系统结构图；
图2为基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法的流程图；
图3为光照强度的控制流程图；
图4为光照模块设置方式示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，包括：
脑电采集模块：用于采集脑电信号；在本例中，根据10-20国际标准导联系统，采集C4、F4和O2三导脑电信号，脑电监测周期30秒，监测时长上限为40分钟；
脑电信号处理模块：用于根据脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；
数据传输模块：用于将脑电信号处理模块生成的控制指令传输至光照模块；数据传输可以采用有线传输也可采用无线传输；
刺激模块：用于根据控制指令对使用者进行相应刺激，通过刺激快速消除睡眠惰性，提高个体的警觉性。
具体的，刺激模块为光照模块、震动模块和/或音乐模块。光照模块可进行光刺激，通过调整光照强度和/或光照颜色实现不同大小的刺激；震动模块通过感觉进行刺激，如震动贴片，通过调整震动频率和/或不同位置的贴片实现不同大小的刺激；音乐模块通过声音进行刺激，通过调整曲调和/或声音大小实现不同大小的刺激。
如图2所示，基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，应用于基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，包括：
步骤1、采集脑电信号并对其进行预处理；在本实施例中，预处理方式为去除基线和实施0.5-30Hz的带通滤波。
步骤2、根据预处理后的脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；
具体的，所述步骤2计算困倦程度的具体步骤包括：
步骤211、获取预处理后同一时间不同电极之间所采集的脑电信号的瞬时相位；信号z(t)的瞬时相位可以用希尔伯特变换HT计算：
Figure BDA0003732920100000041
步骤212、分别计算任意两个电极对应的瞬时相位差及锁相值：两个脑电信号zm(t)和zn(t)的相位分别是φm(t)和φn(t)，锁相值PLVmn的计算方式为：
Figure BDA0003732920100000042
其中，j是虚数单位，N是脑电信号的长度，φmn(t)＝φm(t)-φn(t)。
步骤213、计算所有电极对应的总体锁相值PLV，
Figure BDA0003732920100000043
PLV的取值为[0,1]，取0时表示脑电同步性最差，困倦程度最低；取1时表示脑电同步性最高，困倦程度最高。
所述步骤2计算警觉程度的具体步骤包括：
步骤221、脑电信号做离散傅里叶变换，并计算脑电信号的总能量值Eall、alpha频段的能量值Ealpha及gamma频段的能量值Egamma；
步骤222、分别计算alpha频段、gamma频段的能量值与总能量值的比值ralpha和rgamma，ralpha和rgamma分别代表中、高等的警觉程度；
步骤223、计算总的警觉程度ralert，ralert＝ralpha+rgamma。
所述步骤2根据困倦程度及警觉程度生成控制指令，在本实施例中，以控制光照强度为例进行说明，流程图如图3所示，具体步骤为：
比较ralert与PLV：
若PLV>ralert，则表示困倦程度高，睡眠惯性大,此时的光照强度lux可采用以下方式计算：lux＝lmax×(PLV-ralert),lmax表示最大光强；
若PLV≤ralert，则比较rgamma与ralpha：
若ralpha>rgamma，此时处于中等警觉程度，则lux＝lmax×ralert-PLV×ralpha/ralert；
若ralpha≤rgamma，此时处于高等警觉程度，则lux＝lmax×ralert-PLV×(rgamma-ralpha)/ralert；
若ralert>预设值，则表明睡眠惰性已经被消除，此时停止刺激。预设值可根据实际情况进行设置，在本实施例中预设值设为0.9，当ralert>0.9时认为已经完全消除睡眠惰性。
步骤3、光照模块根据控制指令控制光照强度，光照模块可直接设置在人脑上方，如图4所示。
此外，还可以根据ralert与PLV的大小控制光照颜色。对应地，还可以控制震动频率，曲调和/或声音大小。

Claims (7)

1.基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，其特征在于，包括：
脑电采集模块：用于采集脑电信号；
脑电信号处理模块：用于根据脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；其中，计算困倦程度的方法为：获取预处理后同一时间不同电极之间所采集的脑电信号的瞬时相位；分别计算任意两个电极对应的瞬时相位差φmn(t)及锁相值PLVmn，
Figure FDA0004247958290000011
其中，j是虚数单位，N是脑电信号的长度；计算所有电极对应的总体锁相值PLV，/>
Figure FDA0004247958290000012
Figure FDA0004247958290000013
计算警觉程度的方法为：脑电信号做离散傅里叶变换，并计算脑电信号的总能量值Eall、alpha频段的能量值Ealpha及gamma频段的能量值Egamma；分别计算alpha频段、gamma频段的能量值与总能量值的比值ralpha和rgamma；计算总警觉程度ralert，ralert＝ralpha+rgamma；根据困倦程度及警觉程度生成控制指令的方法为：
比较ralert与PLV：
若PLV>ralert，则光照强度lux＝lmax×(PLV-ralert),lmax表示最大光强；
若PLV≤ralert，则比较rgamma与ralpha：
若ralpha>rgamma，则lux＝lmax×(ralert-PLV)×ralpha/ralert；
若ralpha≤rgamma，则lux＝lmax×(ralert-PLV)×(rgamma-ralpha)/ralert；
若ralert>预设值，则停止刺激，所述预设值用于判断睡眠惰性是否被消除；
数据传输模块：用于将脑电信号处理模块生成的控制指令传输至刺激模块；
刺激模块：用于根据控制指令对使用者进行相应刺激。
2.根据权利要求1所述的基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，其特征在于，所述刺激模块为光照模块、震动模块和/或音乐模块。
3.根据权利要求2所述的基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，其特征在于，当所述刺激模块为光照模块时，通过控制光照强度进行刺激。
4.基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的基于脑电调节警觉性的智能光刺激装置，其特征在于，包括：
步骤1、采集脑电信号并对其进行预处理；
步骤2、根据预处理后的脑电信号计算困倦程度及警觉程度，并根据困倦程度及警觉程度生成控制指令；
计算困倦程度的具体步骤包括：
步骤211、获取预处理后同一时间不同电极之间所采集的脑电信号的瞬时相位；
步骤212、分别计算任意两个电极对应的瞬时相位差φmn(t)及锁相值PLVmn，
Figure FDA0004247958290000021
Figure FDA0004247958290000022
其中，j是虚数单位，N是脑电信号的长度；
步骤213、计算所有电极对应的总体锁相值PLV，
Figure FDA0004247958290000023
计算警觉程度的具体步骤包括：
步骤221、脑电信号做离散傅里叶变换，并计算脑电信号的总能量值Eall、alpha频段的能量值Ealpha及gamma频段的能量值Egamma；
步骤222、分别计算alpha频段、gamma频段的能量值与总能量值的比值ralpha和rgamma；
步骤223、计算总警觉程度ralert，ralert＝ralpha+rgamma；
根据困倦程度及警觉程度生成控制指令的具体步骤为：
比较ralert与PLV：
若PLV>ralert，则光照强度lux＝lmax×(PLV-ralert),lmax表示最大光强；
若PLV≤ralert，则比较rgamma与ralpha：
若ralpha>rgamma，则lux＝lmax×(ralert-PLV)×ralpha/ralert；
若ralpha≤rgamma，则lux＝lmax×(ralert-PLV)×(rgamma-ralpha)/ralert；
若ralert>预设值，则停止刺激，所述预设值用于判断睡眠惰性是否被消除；
步骤3、刺激模块根据控制指令对使用者进行相应刺激。
5.根据权利要求4所述的基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，其特征在于，所述预处理包括去除基线、带通滤波。
6.根据权利要求4所述的基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，其特征在于，所述刺激模块为光照模块。
7.根据权利要求4所述的基于脑电调节警觉性的智能光刺激方法，其特征在于，所述预设值为0.9。
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