TWI816611B - 腦動力音頻刺激之音頻產生設備與方法 - Google Patents

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Abstract

一種腦動力音頻刺激之音頻產生設備，包括：音頻播放裝置、腦波擷取裝置及計算裝置。音頻播放裝置分次播放多個音頻訊號，以給予受試者多個音頻頻率的聲音刺激。腦波擷取裝置對受試者擷取腦波訊號。計算裝置分析腦波訊號中的頻道訊號的兩兩動力學關聯性，以獲取大腦受刺激反應傳遞頻道方向關聯性；並依據對應目標頻道的至少一個音頻頻率合成為一測試音頻，而使受試者聽取測試音頻所產生的腦波訊號中的高關聯性的反應頻道中具有此目標頻道時，將此測試音頻作為輸出音頻。一種腦動力音頻刺激之音頻產生方法亦在此提出。

Description

腦動力音頻刺激之音頻產生設備與方法
本發明是有關於一種音頻產生技術，特別是指一種腦動力音頻刺激之音頻產生設備及方法。
近年來隨著生活步調快速化發展，人們失眠、焦慮、抑鬱和心理壓力大逐漸形成普遍症狀，尤其與大腦相關的問題更是重中之重，如偏頭痛、失智症等。目前有發展經顱刺激來針對大腦進行刺激的方法，其大致分為電刺激與磁刺激。
經顱電刺激的工作原理是將電極墊片放在頭皮上。後電極向大腦發出弱電流。經顱磁刺激是將大腦施以短暫磁脈衝使磁場穿過頭顱骨，刺激腦部組織使神經元活動產生變化。
但是不論經顱電刺激或經顱磁刺激本質上皆是施以人們外部易控的簡單電或磁訊號，該些訊號加諸大腦之後，腦部神經元的活動變化並無完整的理論可以分析，因此大腦的反應表現皆無法預期及保證。
本發明一實施例提出一種腦動力音頻刺激之音頻產生設備，該設備包括音頻播放裝置、腦波擷取裝置及計算裝置。音頻播放裝置配置為分次播放多個音頻訊號，以給予一受試者多個音頻頻率的聲音刺激。腦波擷取裝置配置為對受試者擷取一第一腦波訊號，第一腦波訊號包括複數第一頻道訊號。計算裝置耦接腦波擷取裝置，配置為分析此些第一頻道訊號中兩兩相關聯性，以獲取對應於多個不同的音頻頻率的高相關聯性的複數第一反應頻道，並依據對應於一目標頻道的至少一個音頻頻率合成為一測試音頻。其中目標頻道選自於此些第一反應頻道，並對應於一目標刺激區域。音頻播放裝置還配置為播放測試音頻。腦波擷取裝置還配置為對受試者擷取一第二腦波訊號。計算裝置還配置為分析此些第二頻道訊號中兩兩相關聯性，以獲取高相關聯性的複數第二反應頻道，且此些第二反應頻道中包括目標頻道，並將測試音頻作為一輸出音頻。
本發明一實施例提出一種腦動力音頻刺激之音頻產生方法，包括：（a）經由一音頻播放裝置播放一音頻訊號，以給予一受試者一音頻頻率的聲音刺激；（b）經由一腦波擷取裝置對受試者擷取一腦波訊號，腦波訊號包括複數頻道訊號；（c）經由一計算裝置分析此些頻道訊號中兩兩相關聯性，以獲取高相關聯性的複數反應頻道；（d）重複執行步驟（a）至（c），以獲得對應於多個不同的音頻頻率的反應頻道；（e）計算裝置從此些反應頻道中決定對應一目標刺激區域的一目標頻道；及（f）計算裝置依據對應於目標頻道的至少一個音頻頻率合成為一測試音頻，經由音頻播放裝置播放測試音頻，並執行步驟（b）及（c），於此些反應頻道中包括目標頻道時，將測試音頻作為一輸出音頻。
綜上所述，依據本發明一些實施例提出之腦動力音頻刺激之音頻產生設備及方法，可有效率地產生特定刺激目的的音頻訊號，並且播放所產生的音頻訊號可有效地進行腦刺激。
參照圖1，係為本發明一實施例之腦動力音頻刺激之音頻產生設備之架構示意圖。腦動力音頻刺激之音頻產生設備包括音頻播放裝置1、腦波擷取裝置2及計算裝置3。
音頻播放裝置1包括儲存媒體11、處理電路12及電聲換能器13。處理電路12耦接於儲存媒體11與電聲換能器13之間。儲存媒體11為非暫態儲存媒體（如硬碟、快閃記憶體、光碟等），儲存有音頻檔案。處理電路12可以是處理器、音頻驅動電路及/或數位訊號處理器，用以解碼音頻檔案並處理音頻訊號，並將音頻訊號傳送至電聲換能器13輸出。電聲換能器13可例如是耳機、喇叭、揚聲器等。
腦波擷取裝置2包括複數電極21（例如為32、64、128、256個）、訊號處理電路22及通訊介面23。訊號處理電路22耦接於複數電極21與通訊介面23之間。電極21用以擷取包括複數頻道訊號的腦波訊號。訊號處理電路22可以是處理器、類比訊號處理電路及/或數位訊號，用以處理該些頻道訊號（如類比數位轉換、訊號放大、濾波等），並透過通訊介面23將處理後的頻道訊號輸出給計算裝置3。通訊介面23可以是有線通訊介面（如RS232、USB、有線網路等）或無線通訊介面（如藍牙、Wi-Fi等）。
計算裝置3可例如為個人電腦、筆記型電腦、伺服器等，其包括通訊介面31、處理器32及記憶體33等。處理器32耦接於通訊介面31及記憶體33之間。通訊介面31用以與腦波擷取裝置2的通訊介面23通訊連接，以獲取腦波訊號。處理器32用以分析腦波訊號中的頻道訊號，透過分析結果來產生輸出音頻，並將輸出音頻儲存至記憶體33。
在一些實施例中，音頻播放裝置1整體或部分地與計算裝置3整合在一起。
在一些實施例中，腦波擷取裝置2整體或部分地與計算裝置3整合在一起。
參照圖2，係為本發明一實施例之腦動力音頻刺激之音頻產生方法之流程圖。首先，循環地多次重複執行步驟S201～步驟S203，其中每次執行循環中所播放的音頻訊號之音頻頻率不同。在步驟S201中，經由音頻播放裝置1播放一音頻訊號，以給予一受試者一音頻頻率的聲音刺激。在步驟S202中，經由腦波擷取裝置2對受試者擷取腦波訊號（後稱第一腦波訊號），第一腦波訊號可供後續分析受試者對於音頻刺激的反應。在步驟S203中，經由計算裝置3分析第一腦波訊號中的多個頻道訊號（後稱第一頻道訊號）中兩兩相關聯性，亦即分析此些第一頻道訊號中任意兩者的相關聯性。並且，將高相關聯性者視為有反應的頻道（後稱第一反應頻道）。經由多次循環重複執行步驟S201～步驟S203之後，可獲得對應於多個不同的音頻頻率的第一反應頻道。在一些實施例中，所採用的音頻頻率是從1Hz~100Hz的範圍中選取。
透過找出對音頻頻率彼此有反應的頻道，可以判定音頻刺激的效果與大腦區域對於音頻刺激的傳導關聯性。在步驟S204中，計算裝置3從此些第一反應頻道中決定對應一目標大腦刺激區域（後稱目標刺激區域）的一頻道（後稱目標頻道）。目標刺激區域可視欲達到的刺激目的來選擇。
接著，在步驟S205中，計算裝置3依據對應於目標頻道的至少一個音頻頻率合成為一測試音頻。換言之，經過前述多次循環重複執行步驟S201～步驟S203之後，可以知道哪一音頻頻率或哪些音頻頻率對應於目標頻道（選定的某一第一反應頻道）是有反應的。故在步驟S205中，從有反應的音頻頻率中選取一個或多個，來合成為一測試音頻。換言之，測試音頻會包括一個或多個對應此目標頻道有反應的音頻頻率。
在步驟S206中，經由音頻播放裝置1播放此測試音頻，並接著執行步驟S207及步驟S208。步驟S207與前述步驟S202相似，係經由腦波擷取裝置2對受試者擷取腦波訊號（第二腦波訊號）。步驟S208與前述步驟S203相似，係經由計算裝置3分析腦波訊號中的多個頻道訊號（第二頻道訊號）中兩兩動力學相關聯性，以獲取高相關聯性的複數反應頻道（第二反應頻道），其呈現出大腦受刺激反應傳遞頻道方向關聯性。在步驟S209中，判斷對此測試音頻有反應的第二反應頻道中是否包括目標頻道。若是，則將測試音頻將作為輸出音頻（步驟S210）。若否，則進入步驟S211，重新依據對應於目標頻道的至少一個音頻頻率合成另一個測試音頻（亦即重新合成一個由對應於目標頻道的至少一個音頻頻率組成且不與先前合成過的測試音頻重複的另一測試音頻），而後進入步驟S206，再次進行測試，直至找出合適的音頻。
透過上述方式，所產生的輸出音頻可針對刺激目的來對使用者進行音頻刺激。其理論基礎在於，睡眠為大腦休息重置的機制，在睡眠時，大腦處於初始能量基態。在大腦運作工作時，腦頻譜能量會提高。當使用者接收音頻刺激，大腦必有回饋作用，惟因大腦區塊作用不同而有不同的強弱反應。具有較強反應的區域表示為訊號傳遞的區域。透過此些訊號共振（訊號具有高相關聯性）的區域，可以找出訊號傳遞的路徑。當找出可傳達至欲作用的區域的訊號傳遞路徑（表示刺激訊號零色散）時，表示此刺激是可達到所欲刺激的目的。本發明運用大腦動力論作有方向性的時間序列分析，判定維生、處理訊號；接著運用訊息流向腦波零色散非線性共振分析組成腦動力音頻。
大腦動力論的理論與推論建立如下：（1）第一理論：睡眠為大腦休息重置的機制，此時大腦處於初始能量基態。（2）第一推論：大腦休息維生狀態時，腦波頻譜能量位於基態；大腦工作運算狀態時，腦波頻譜能量會提高。（3）第二理論：大腦受音頻刺激必有回饋作用；腦波頻譜能量高（表示增強功能）於初工作狀態，腦波頻譜能量低（促使休息重置）於初工作狀態。（4）第二推論：觀測睡眠時腦波頻譜能量，依照受刺激能譜高低，可決定頻道區塊功能性，如傳遞、處理、維生（主控）、警戒區。（5）第三理論：大腦過度工作自動釋出休息訊息。
有關大腦維生狀態與傳遞處理區判定，請參照圖3及圖4。圖3為本發明一實施例之一頻道訊號（聽覺區T6）在不同時間段的腦波頻譜能量圖；圖4為本發明一實施例之另一頻道訊號（視覺區O1）在不同時段的腦波頻譜能量圖。其中，訊號Res1表示受試者在前階段休息時段的訊號；訊號Listen表示受試者接受音頻訊號刺激且清醒的時段的訊號；訊號Listen-s表示受試者接受音頻訊號刺激且入睡的時段的訊號；訊號Listen-w表示受試者接受音頻訊號刺激且醒來的時段的訊號；訊號Res2、Res3分別表示受試者接受音頻訊號過後的休息時段的訊號。透過識別接受音頻刺激之後訊號的變化，可以區分出各頻道21對應的刺激區域的功能性。例如，聽覺區T6為訊號傳遞處理區；視覺區O1為維生訊號接收區。
參照圖5，係為本發明一實施例之電極21分布圖。在此是使用32個電極21。其中，基於上述大腦傳遞處理及維生狀態的判定，從左腦電極（F7、F3、FT7、FC3、T3、C3、TP7、CP3、T5和 P3）和右腦電極（F4、F8、FC4、FT8、C4、T4、Cp4、TP8、P4 和 T6）判定訊號傳遞與流向，取得大腦各區的運作傳遞訊號。亦即，從左腦電極（F7、F3、FT7、FC3、T3、C3、TP7、CP3、T5和 P3）和右腦電極（F4、F8、FC4、FT8、C4、T4、Cp4、TP8、P4 和 T6）的腦波訊號計算兩兩相關聯性。
在此，以式1來表示32電極21區受音頻刺激系統方程組，其中F(t)為音頻刺激，X 1~X 32為32個電極21的頻道訊號，G1為函式，其表示出受到任一電極21的頻道訊號而有所變化，U 1~U 32表示與頻道訊號無關的成分， 表示X 1~X 32的一階微分， 表示X 1~X 32的二階微分。
(式1)
在一些實施例中，輸出音頻的基礎頻率包括20Hz、40Hz及80Hz。
在此說明分析頻道訊號中兩兩相關聯性的方式，此分析方式適用於前述第一頻道訊號與第二頻道訊號（為了說明簡潔，在此將以頻道訊號稱之）。首先，將頻道訊號轉換為複數時變頻率訊號。轉換的方式可例如是執行短時傅里葉變換，如式2所示。其中， s(t)為頻道訊號，w(t)為時間窗口函數。
(式2)
接著，使用希爾伯特轉換（Hilbert transform）確定時變頻率訊號的相位的時間序列，其具有式3的形式，以形成式4。其中，p.v.為柯西主值（Cauchy principal value），S(t)為分析訊號，A(t)是瞬時幅值，φ是瞬時相位。
(式3)
(式4)
經過前述處理之後，分析此些時變頻率訊號中兩兩相位同步率。在一些實施例中，可以相位同步因子（phase synchronization index，PSI）來計算。考慮兩個耦合的諧波震盪器（a, b），分別具有相位φa(t)及φb(t)，其相位差如式5所示，其中n、m為比率，在此設定均為1。
(式5)
夏儂熵（Shannon Entropy）定義如式6，而Smax-ln(N)，其中N為個數。PSI定義如式7，其中 ； 值愈大表示兩者同步率愈高； 表示不同步； 表示完美同步。
(式6)
(式7)
在此，可以設定一閾值，若計算出的PSI超出閾值，則表示高相位同步率。於是，將高相位同步率的頻道訊號作為高相關聯性的反應頻道。
本發明為了研究大腦對於音頻訊號刺激的反應，以15 名健康受試者（10 名男性和 5 名女性）進行試驗。試驗過程以下三個階段。階段(I)：閉眼休息3分鐘。階段(II)：執行前述腦動力音頻刺激音頻產生方法，受試者接收音頻訊號刺激12 分鐘，期間改變頻率、強度等。階段(III)：休息閉眼3分鐘。透過上述試驗過程擷取的腦波訊號進行前述分析頻道訊號中兩兩相關聯性，以找出前述的輸出音頻。
在找出輸出音頻（腦動力音頻）之後，進行腦動力音頻的效果測試。過程包括以下三個階段。階段(I)：閉眼休息3分鐘。階段(II)：給受試者聆聽腦動力音頻音樂（輸出音頻），持續 18 分鐘。階段(III)：休息閉眼3分鐘。參照圖6，係為本發明一實施例之一受試者接受音頻刺激之睡眠階層示意圖。睡眠階層判定是以美國睡眠學會判定標準AASM 2.4版，睡眠區分N1、N2 、N3三層，第三層N3為最深層睡眠。受試者於階段(I) 閉眼休息3分鐘且為清醒狀態，第180秒進入階段(II)聆聽腦動力音頻音樂，於第300秒開始蒙生睡意進入睡眠第一層(N1) ，第500秒進入睡眠第二層(N2) ，第580秒左右進入睡眠第三層(N3) ，之後N2 、N3交迭；最後進入深層睡眠N3，直到腦動力音頻音樂關閉。
依據本發明一些實施例提出之腦刺激音頻產生設備及方法，可有效率地產生特定刺激目的的腦動力音頻訊號，並且播放所產生的音頻訊號可有效地進行腦刺激。透過腦動力音頻刺激，提供有別於經顱刺激的針對大腦刺激的方法，試圖使大腦神經元活動產生變化，借以改善症狀，使腦動力音頻音樂治療有可行性，並且對於如失眠、焦慮、抑鬱和心理壓力大等生理或心理不適，或與大腦相關的問題如偏頭痛、失智症等有改善可行性。
1:音頻播放裝置 11:儲存媒體 12:處理電路 13:電聲換能器 2:腦波擷取裝置 21:電極 22:訊號處理電路 23:通訊介面 3:計算裝置 31:通訊介面 32:處理器 33:記憶體 S201~211:步驟
圖1為本發明一實施例之腦動力音頻刺激之音頻產生設備之架構示意圖。 圖2為本發明一實施例之腦動力音頻刺激之音頻產生方法之流程圖。 圖3為本發明一實施例之一頻道訊號（聽覺區T6）在不同時間段的腦波頻譜能量圖。 圖4為本發明一實施例之另一頻道訊號（視覺區O1）在不同時段的腦波頻譜能量圖。 圖5為本發明一實施例之電極分布圖。 圖6為本發明一實施例之一受試者接受音頻刺激之睡眠階層示意圖。
1:音頻播放裝置
11:儲存媒體
12:處理電路
13:電聲換能器
2:腦波擷取裝置
21:電極
22:訊號處理電路
23:通訊介面
3:計算裝置
31:通訊介面
32:處理器
33:記憶體

Claims (7)

  1. 一種腦動力音頻刺激之音頻產生設備，包括：一音頻播放裝置，配置為分次播放多個音頻訊號，以給予一受試者多個音頻頻率的聲音刺激；一腦波擷取裝置，配置為對該受試者擷取一第一腦波訊號，該第一腦波訊號包括複數第一頻道訊號；及一計算裝置，耦接該腦波擷取裝置，配置為分析該些第一頻道訊號中兩兩相關聯性，以獲取對應於多個不同的該音頻頻率的高相關聯性的複數第一反應頻道，並依據對應於一目標頻道的至少一個該音頻頻率合成為一測試音頻，其中該目標頻道選自於該些第一反應頻道，並對應於一目標刺激區域，其中分析該些第一頻道訊號中兩兩相關聯性，是指將該些第一頻道訊號轉換為複數第一時變頻率訊號，並分析該些第一時變頻率訊號中兩兩相位同步率，而將高相位同步率的該些第一頻道訊號作為高相關聯性的該些第一反應頻道；其中該音頻播放裝置還配置為播放該測試音頻，該腦波擷取裝置還配置為對該受試者擷取一第二腦波訊號，該計算裝置還配置為分析該第二腦波訊號中的複數第二頻道訊號中兩兩相關聯性，以獲取高相關聯性的複數第二反應頻道，且該些第二反應頻道中包括該目標頻道，並將該測試音頻作為一輸出音頻，其中分析該些第二頻道訊號中兩兩相關聯性，是指將該些第二頻道訊號轉換為複數第二時變頻率訊號，並分析該些第二時變頻率訊號中兩兩相位同步率，而將高相位同步率的該些第二頻道訊號作為高相關聯性的該些第二反應頻道。
  2. 如請求項1所述之腦動力音頻刺激之音頻產生設備，其中該計算裝置配置為判斷該些第二反應頻道中是否包括該目標頻道，若是，則將該測試音頻作為該輸出音頻。
  3. 如請求項1所述之腦動力音頻刺激之音頻產生設備，其中該計算裝置配置為判斷該些第二反應頻道中是否包括該目標頻道，若否，則重新依據對應於該目標頻道的至少一個該音頻頻率合成另一個該測試音頻。
  4. 如請求項1所述之腦動力音頻刺激之音頻產生設備，其中該輸出音頻的基礎頻率包括20Hz、40Hz及80Hz。
  5. 一種腦動力音頻刺激之音頻產生方法，包括：(a)經由一音頻播放裝置播放一音頻訊號，以給予一受試者一音頻頻率的聲音刺激；(b)經由一腦波擷取裝置對該受試者擷取一腦波訊號，該腦波訊號包括複數頻道訊號；(c)經由一計算裝置分析該些頻道訊號中兩兩相關聯性，以獲取高相關聯性的複數反應頻道；(d)重複執行步驟(a)至(c)，以獲得對應於多個不同的該音頻頻率的該些反應頻道；(e)該計算裝置從該些反應頻道中決定對應一目標刺激區域的一目標頻道；及(f)該計算裝置依據對應於該目標頻道的至少一個該音頻頻率合成為一測試音頻，經由該音頻播放裝置播放該測試音頻，並執行步驟(b) 及(c)，於該些反應頻道中包括該目標頻道時，將該測試音頻作為一輸出音頻；其中分析該些頻道訊號中兩兩相關聯性包括：將該些頻道訊號轉換為複數時變頻率訊號；確定該些時變頻率訊號的相位的時間序列；分析該些時變頻率訊號中兩兩相位同步率；及將高相位同步率的該些頻道訊號作為高相關聯性的該些反應頻道。
  6. 如請求項5所述之腦動力音頻刺激之音頻產生方法，其中步驟(f)還包括：若該些反應頻道中不包括該目標頻道，重新依據對應於該目標頻道的至少一個該音頻頻率合成另一個該測試音頻，並重新執行步驟(f)。
  7. 如請求項5所述之腦動力音頻刺激之音頻產生方法，其中該輸出音頻的基礎頻率包括20Hz、40Hz及80Hz。
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