DE4205597C2

DE4205597C2 - Hirnwellen stimulierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE4205597C2
Application number: DE4205597A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Yasushi
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1991-05-28
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-02-25
Also published as: GB2256276A; DE4205597A1; JPH04352969A; GB2256276B; US5191894A; GB9204219D0; JP3292735B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hirnwellen stimulierende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die europäische Patentanmeldung EP-0 412 629 A1 beschreibt einen Computer, der zur Einstellung einer Mittenfrequenz eines Bandpaßfilters dient. Dabei wird das Bandpaßfilter auf eine vorbestimmte nominale Mittenfrequenz entsprechend der erwünschten Hirnwelle eingestellt, bevor die Komponenten der Hirnwelle der Testperson aufgenommen werden. Die derselben Art von Hirnwellen entsprechende Mittenfrequenz des Bandpaßfilters ist dabei für jede Testperson gleich. Der Computer wird dazu benutzt, um festzustellen, ob das Ausgangssignal des Bandpaßfilters eine Hirnwelle oder Rauschen ist, und danach den Benutzer zu informieren, ob die erwünschte Hirnwelle angeregt wurde oder nicht.

Es ist bekannt, daß ein enges Verhältnis zwischen den Hirnwel len von Menschen und deren biologischen, psychologischen Aus wirkungen besteht. Zum Beispiel ist, wenn eine Person entspannt ist, eine α-Welle (ungefähr 8-13 Hz) dominant entwickelt. Wenn die Person mental und physisch aktiv ist, ist eine β-Welle (ungefähr 14-30 Hz) dominant. Wenn sich die Person schläfrig fühlt, ist eine Θ-Welle (ungefähr 4-7 Hz) dominant.

Umgekehrt wird die Person, wenn eine spezielle Hirnwelle dominant angeregt bzw. induziert wird, dann den entspre chenden physiologischen und psychologischen Zustand erreichen.

Dafür kann die Verwendung der Beziehung zwischen diesen Hirn wellen und physiologischen und psychologischen Zuständen nütz lich bei der Kontrolle bzw. Steuerung physiologischer und psy chologischer Zustände von Menschen sein. Z.B. wird einer Test person eine externe optische Stimulation gegeben, um α-Wellen anzuregen, um die Testperson in einen entspannten Zustand zu führen, so daß die Testperson vom Streß befreit wird oder eine physiologische Konzentration erwirbt. Konventionelle Hirnwellen stimulierende Vorrichtungen für diese Zwecke haben die Hirnwel le einer Testperson durch einen Hirnwellensensor aufgenommen und in ein optisches Signal konvertiert und dann der Testperson zur optischen Stimulierung zurückgekoppelt. Jedoch ist die di rekte Konversion von Hirnwellen in optische Signale nicht effi zient bei der Anregung spezieller Hirnwellen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Hirnwellen stimulierende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Hirnwel len einer Testperson zuerst einer Filterung unterzogen werden, um die optimale Frequenz eines Hirnwellen stimulierenden Sig nals zu bestimmen und mit welcher anschließend Hirnwellen mit einer optimalen Frequenz in der Mitte der Bandbreite mittels eines stimulierenden, optischen Signals zeigt. Dies erlaubt die effiziente Anregung von Hirnwellen einer Testperson.

Ein Bandpaßfilter hat eine Mittenfrequenz, die zum Scannen oder Wobbeln über einen Frequenzbereich von Hirnwellen verändert werden kann, um ausgesuchte Frequenzkomponenten von Hirnwellen durchzulassen. Die Ausgangssignale des Bandpaß filters werden einem Hirnwellen-Amplitudenrechner zugeführt, welcher die Amplituden der Ausgangssignale für jede der Mitten frequenzen berechnet und auch speichert. Ein Optimumfrequenz-Rechner führt eine Berechnung auf der Basis der jeweili gen Mittenfrequenzen und ihrer Amplituden von dem Hirnwellen- Amplitudenrechner durch und gibt ein Kommando aus, welches eine optimale Mittenfrequenz des Bandpaßfilters an gibt. Ein Mittenfrequenzselektor wechselt die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters in Übereinstimmung mit dem Kommando des Op timumfrequenzrechners.

Eigenschaften der Erfindung werden in der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug nahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Hirnwellen stimulierenden Vorrichtung gemäß der Er findung;

Fig. 2 einen Ablaufplan des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1;

Fig. 3 die gewobbelten Mittenfrequenzen des Bandpaßfilters und entsprechend angeregte Hirnwellen beim Induzieren einer Welle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend im De tail unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel einer Hirnwellen induzierenden bzw. stimulierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt. In der Figur erfaßt ein Hirnwel lensensor 1 die Hirnwelle eines menschlichen Körpers oder einer Testperson. Ein Hirnwellenverstärker 2 verstärkt die durch den Hirnwellensensor 1 erfaßten Hirnwellen auf einen ausreichenden Signalpegel für die nachfolgende Hirnwellenverarbeitung. Ein Bandpaßfilter 3 empfängt die Ausgangssignale des Hirnwellenempfängers 2 und läßt nur selektierte Frequenz komponenten durch. Das Bandpaßfilter 3 hat eine variable Mit tenfrequenz und hat die Form eines geschalteten kapazitiven Filters (SCF, switched capacitor filter), dessen Mittenfrequenz in Übereinstimmung mit der Frequenz eines Clock-Signals CLK, welches hinzugeführt wird, verändert wird. Eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung 4 (AGC) empfängt das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 3 und hält automatisch die Amplitude der von dem Filter 3 ausgegebenen Hirnwelle auf einem vorbestimmten konstanten Pegel. Eine LED-Treiberschal tung 5 steuert eine lichtemittierende Diode (LED) 6 an, um in Übereinstimmung mit dem die Hirnwelle induzierenden Signal, welches von der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung 4 ausgegeben wird, die LED periodisch an- und auszuschalten bzw. periodisch heller und dunkler werden zu lassen. Das blinkende Licht der LED 6 wird der Testperson zugeführt, um die Testperson zu stimulieren, um eine erwünschte Hirnwelle bei der Testperson anzuregen.

Ein Mikrocomputer 7 enthält primär eine CPU, ein ROM, ein RAM, welche zusammen mit einem eingebauten Programm einen Mittenfre quenzselektor 9, einen Hirnwellen-Amplitudenrechner 10, und einen Optimumfrequenzrechner 11 bilden. Der Mikrocomputer 7 enthält Signale vom Bandpaßfilter 3 über einen A/D-Wandler 8.

Der Hirnwellen-Amplitudenrechner 10 berechnet und speichert die Amplituden der Ausgangssignale des Bandpaßfilters 3 für die jeweilige durch den Mittenfrequenzse lektor 9 ausgewählte Frequenz, wenn der Selektor 9 die Mitten frequenz des Bandpaßfilters 3 ändert, um über den Frequenzbe reich einer erwünschten Hirnwelle zu wobbeln. Der Optimumfrequenzrechner 11 führt Berechnungen auf der Basis der Amplituden der jeweiligen in dem Hirnwellenamplitudenrechner 10 gespeicherten Mittenfrequenzen durch, um so die optimale Mit tenfrequenz des Bandpaßfilters 3 zur Induzierung einer er wünschten Hirnwelle zu bestimmen. Die auf diese Art berechnete Optimumfrequenz des Bandpaßfilters 3 wird an den Mittenfre quenzselektor 9 ausgegeben. Der Mittenfrequenzselektor 9 wech selt steuerbar die Mittenfrequenz fo des Bandpaßfilters 3 durch Wechseln der Frequenz des Clocksignals CLK.

Der Betrieb der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird nach stehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, welche einen Ablaufplan der Vorrichtung gemäß der Erfindung und unter Bezug nahme auf Fig. 3, welche eine induzierte α-Hirnwelle bei der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 3 während des Wobbelns der Mittenfrequenz sowie während der Induzierung einer α-Welle dar stellt.

Bei Schritt 1 gibt auf ein Wobbel-Start-Kommando hin, welches von einer externen Schaltung zugeführt wird, der Mittenfrequenzselektor 9 das Clocksignal CLK ab, das eine geeignete obere Grenzfrequenz fH einer Mittenfrequenz z. B. fH=13Hz für eine α-Welle, bewirkt. Dann wird die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 3 gewobbelt beginnend von 13 Hz, wie in Fig. 3 dargestellt.

Bei Schritt 2 berechnet der Hirnwellen-Amplitudenrechner 10 das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 3, welches zu dieser Zeit eine Mit tenfrequenz von fH=13Hz hat, und speichert die Mittenfrequenz (F=13 Hz) und die berechnete Amplitude A in einem internen Spei cher.

Bei Schritt 3 verschiebt der Mittenfrequenzselektor 9 die Mit tenfrequenz hin zur niedrigeren Seite um Δ f von fH=13 Hz aus, so daß die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters nun fH-Δf beträgt.

Bei Schritt 4 wird bestimmt, ob die neue Mittenfrequenz unter einer unteren Grenzfrequenz fL des Bandpaßfilters liegt. Z.B. beträgt fL=8Hz für eine α-Welle. Falls die Antwort NEIN ist, kehrt das Programm zu Schritt 2 zurück; falls die Antwort JA ist, fährt das Programm mit Schritt 5 fort. In dieser Weise werden die vorstehend erwähnten Schritte 2 bis 4 iterativ für Frequenzen fH=13Hz bis 8Hz ausgeführt, wie durch eine gestri chelte Linie in Fig. 3 angedeutet, so daß die Amplituden des Ausgangsignals des Bandpaßfilters 3 für die jeweilige Mittenfrequenzen in dem internen Speicher des Hirnwellen-Amplitudenrechners 10 gespeichert sind.

Bei Schritt 5 liest der Optimumfrequenzrechner 11, wenn die Wobbeloperation von fH=13 bis 8 Hz vervollständigt bzw. beendet wurde, die jeweilige gewobbelte Mittenfrequenz Fi und deren Amplitude von Ai aus, welche in dem Hirnwellen-Amplituden rechner 10 gespeichert sind, und berechnet eine Optimum-Mitten frequenz fo zur Induzierung einer erwünschten Hirnwelle wie folgt:

wobei Fi die i-te gewobbelte Mittenfrequenz, Ai die Amplitude der i-ten gewobbelten Mittenfrequenz Fi, i eine ganze Zahl von 1 bis n, und FB eine Versatzfrequenz ist.

Der erste Term des rechten Teils der Gleichung 1 ist eine ge wichtete Mittenfrequenz einer Hirnwelle in dem Wobbel-Frequenz bereich (fH bis fL) und der zweite Term ist eine Versatzfrequenz für das effiziente Induzieren einer erwünschten Hirnwelle.

Hirnwellen weisen ein "Nachziehphänomen" auf. Mit anderen Worten, ein eine Hirnwelle induzierendes Si gnal mit einer etwas geringeren Frequenz als die erwünschte Hirnwelle ist effektiver beim Hinführen der Testperson zur Ent spannung. Auf der anderen Seite ist ein eine Hirnwelle induzie rendes Signal mit einer geringfügig höheren Frequenz als die erwünschte Hirnwelle effektiver beim Hinführen der Testperson in einen angeregten, aktiven Zustand. Somit berücksichtigt Gleichung (1) das "Nachziehphänomen", um die optimale Mitten frequenz zu berechnen.

Bei Schritt 6 sendet der Optimumfrequenzrechner 11 ein die Optimum-Mittenfrequenz fo indizierendes Kommando an den Mitten frequenzselektor 9. Dann sendet der Mittenfrequenzselektor 9 die Clock-Signale CLK entsprechend dem Kommando des Optimumfre quenzrechners 11 zu dem Bandpaßfilter 3, um das Filter 3 für die berechnete optimale Frequenz fo einzustellen.

Auf diese Weise wird eine erwünschte Hirnwelle effizient in Übereinstimmung mit der berechneten Optimum-Mittenfrequenz in duziert. Fig. 3 zeigt eine Graphik, bei der die Ver satzfrequenz in Gleichung (1) -FB beträgt.

Während die vorstehend beschriebene Ausführungsform unter Be zugnahme auf die Induzierung von α-Wellen beschrieben wurde, kann die Erfindung natürlich in gleicher Weise zur Induzierung von Θ-Wellen und β-Wellen verwendet werden. Der Wobbelbereich wird auf 4 bis 7 Hz eingestellt für Θ-Wellen und auf 13 bis 30 Hz für β-Wellen. Falls die Versatzfrequenz FB in Gleichung (1) nicht nötig ist, kann auch nur der erste Term verwendet werden, um die Optimum-Mittenfrequenz zu berechnen.

Ein Bandpaßfilter hat eine Mittenfrequenz, die zum Wobbeln über einen Frequenzbereich einer erwünschten Hirnwelle verändert werden kann, um ausgewählte Fre quenzkomponenten einer Hirnwelle durchzulassen. Ein Hirnwellen amplitudenrechner berechnet und speichert die Amplitude der Ausgabewerte des Bandpaßfilters für jeden Wert der Mittenfre quenzen des Bandpaßfilters. Ein Optimumfrequenzrechner berech net und gibt ein Kommando aus, welches eine Optimummittenfre quenz des Bandpaßfilters auf der Basis der jeweiligen Mitten frequenzen und ihrer Amplituden indiziert. Ein Mittenfrequenzselektor verändert die Mittenfrequenz des Band paßfilters in Übereinstimmung mit dem Kommando.

Claims

1. Hirnwellen stimulierende Vorrichtung, mit welcher von einer Testperson abgeleitete Hirnwellen einer Bandpaßfilterung (3) unterzogen werden, um Frequenzkomponenten einer erwünschten Hirnwelle durchzulassen, wobei die Frequenzkomponenten dazu verwendet werden, ein optisches Signal zu erzeugen, das zur Stimulation der Testperson mit der erwünschten Hirnwelle verwendet wird, und einem Rechner, der eine Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (3) festlegt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bandpaßfilter (3) mit seiner Mittenfrequenz über einen Frequenzbereich der erwünschten Hirnwelle gewobbelt wird,
daß ein Hirnwellen-Amplitudenrechner (10) zur Berechnung und Speicherung jeder der momentanen Amplitudenwerte der Ausgangssignale des Bandpaßfilters (3) vorgesehen ist,
daß ein Rechner (11) zur Berechnung einer Optimum-Mittenfrequenz (f₀) des Bandpaßfilters (3) zur Anregung der erwünschten Hirnwelle vorgesehen ist,
daß die Optimum-Mittenfrequenz (f₀) der maximalen Amplitude der Ausgangssignale des Bandpaßfilters (3) innerhalb des Frequenzbereiches der erwünschten Hirnwelle entspricht, und
daß ein Mittenfrequenzselektor (9) zum Wechseln der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (3) vorgesehen ist, während über den Frequenzbereich der erwünschten Hirnwelle gewobbelt wird, der zur Einstellung der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (3) auf die Optimum-Mittenfrequenz (f₀) dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenfrequenzselektor (9) eine obere Grenze eines Frequenzbereiches einer erwünschten Hirnwelle als Ausgangsmittenfrequenz des Bandpaßfilters (3) setzt, wenn er durch ein externes Kommando aktiviert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter (3) ein Filter mit geschalteten Kondensatoren ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimum-Mittenfrequenz (f₀) des Bandpaßfilters (3) durch die Verwendung der Gleichung berechnet wird, wobei i zwischen 1 bis n liegt, F_i die i-te gewobbelte Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (3), A_i die Amplitude der i-ten gewobbelten Mittenfrequenz (F_i) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erwünschte Hirnwelle eine α-Welle ist, die i-te Mittenfrequenz durch eine Gleichung berechnet ist, wobei i zwischen 1 und n liegt, F_i die i-te gewobbelte Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (3), A_i die Amplitude der i-ten Mittenfrequenz F_i ist und FB eine Versatzfrequenz ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die erwünschte Hirnwelle eine β-Welle ist, die i-te Mittenfrequenz durch eine Gleichung berechnet wird, wobei i zwischen 1 bis n liegt, F_i die i-te gewobbelte Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (3), A_i die Amplitude der i-ten Mittenfrequenz F_i ist und FB eine Versatzfrequenz ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Bandpaßfilters (3) in ein optisches Signal durch die Verwendung einer lichtemittierenden Diode (6) konvertiert werden.