928.人腦心智鍛煉機(jī)

1、人腦心智鍛煉機(jī)摘 要生理學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在有刺激的環(huán)境中成長(zhǎng)的老鼠，比那些沒(méi)有受到刺激的要聰明伶俐得多，同樣，人的大腦也總需要樂(lè)趣的刺激，今天，我們?cè)诂F(xiàn)有的腦電采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將要利用motorola先進(jìn)的dsp技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)佩帶嵌入式多功能心智娛樂(lè)系統(tǒng)，通過(guò)該儀器，您可以和自己的心理互動(dòng)，看到聽(tīng)到自己的心理狀態(tài)，從而進(jìn)一步設(shè)法調(diào)節(jié)、改變、對(duì)付、突破自身的心理障礙，使身、心和諧，數(shù)據(jù)表明，該類設(shè)備可以用于提高學(xué)習(xí)能力、改善睡眠、放松精神、治療精神疾病等領(lǐng)域，在國(guó)外已有深入研究及應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)還是鮮有所聞，本設(shè)計(jì)為電池供電，口袋佩帶隨身聽(tīng)式、低成本、高技術(shù)含量、適合各種年齡層次人士使用的娛

2、樂(lè)、保健用品，我們有理由相信，市場(chǎng)前景相當(dāng)可觀。低成本便攜式2通道-腦電生物反饋鍛煉系統(tǒng)，它基于兩種主要的技術(shù)：“eeg”與“l(fā)ight&sound” 。“eeg”實(shí)時(shí)監(jiān)控腦波，依照預(yù)設(shè)的方法來(lái)處理eeg信號(hào)，并且激勵(lì)或抑制某種腦波模式。這些方法提供給使用者聲音鼓勵(lì)以便其大腦利用本身的學(xué)習(xí)機(jī)制，識(shí)別期望的行為和尋找重復(fù)這行為的辦法?！發(fā)ight&sound”利用腦電波會(huì)對(duì)光刺激作出相依性反應(yīng)，以及特殊的聲音組合 (如雙耳節(jié)拍 )能改變腦電波活動(dòng)。通過(guò)選擇合適頻率的光與聲音信號(hào) ,能調(diào)節(jié)腦電波進(jìn)入預(yù)期的頻率。本系統(tǒng)從人的頭皮引出自發(fā)腦電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)強(qiáng)大的motor

3、oladsp數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行多路數(shù)字濾波、頻譜分析、數(shù)據(jù)壓縮及聲音合成，以聲、光、圖的動(dòng)態(tài)形式實(shí)時(shí)地反饋給練習(xí)者，不但能夠準(zhǔn)確量化入靜狀態(tài)，而且更易自發(fā)地控制大腦及自身狀態(tài)，促進(jìn)身心協(xié)調(diào)；對(duì)于一些慢性病、精神失調(diào)等有一定療效。目前已完成2通道實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，并進(jìn)行了初步測(cè)試，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)機(jī)型水平。本文詳述了該系統(tǒng)的組成、工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：eeg 腦電生物反饋 motorola dsp56f805 人腦體操 腦電神經(jīng)反饋 腦電信號(hào)處理一. 背景1.1 腦電波的由來(lái)早在1875年 ,英國(guó)生理學(xué)家理查德卡頓(richardcaton)就從兔腦和猴腦中記錄到微弱的電流。但這一

4、發(fā)現(xiàn)的臨床意義直到 50年后才被認(rèn)識(shí)到。 1929年德國(guó)精神病學(xué)家漢斯貝格爾(hansbergar,18731941)首先作了嘗試 ,記錄了人腦的電流。貝格爾在做腦手術(shù)時(shí) ,從顱骨缺損患者的大腦皮質(zhì)處成功地檢測(cè)出了活動(dòng)電流 ,并把它同心電圖一樣用圖表的形式表現(xiàn)出來(lái) ,這就是現(xiàn)今神經(jīng)病學(xué)中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)腦電圖 ()的發(fā)端。貝格爾將電極置于顱表 ,檢測(cè)到人在不同清醒狀態(tài)時(shí)的 4種不同類型的腦電波。當(dāng)我們處于高度清醒狀態(tài) (高度興奮和緊張狀態(tài) )時(shí) ,大腦在 1 3 2 5赫茲的波段上工作 ,稱為 波狀態(tài) ;當(dāng)我們松弛而清醒 (中度清醒 )時(shí) ,大腦在 8 1 3赫茲波段上工作 ,稱為波狀態(tài) ;

5、睡眠的初期階段 ,大腦在 4 8赫茲波段上處理白天的信息 ,稱為狀態(tài) ;深度睡眠時(shí) ,腦電波在 0 . 5 4赫茲波段 ,稱為波狀態(tài)。如圖1示1.2 腦電波與學(xué)習(xí)1 .腦電波與精神狀態(tài)腦電波可以被看作是反映人的精神狀態(tài)的晴雨表。當(dāng)處于不同的清醒狀態(tài)時(shí)，人便會(huì)出現(xiàn)標(biāo)志不同精神狀態(tài)的生理反應(yīng)。腦電圖不僅顯示腦電波的性狀 ,而且顯示它們?cè)鯓幼兓?其模式實(shí)際上可隨不同的清醒狀態(tài)改變。這便使清醒狀態(tài)具有了可操作性。因此 ,我們可以根據(jù)腦電圖的顯示來(lái)調(diào)整自己的清醒程度 ,采用行之有效的方法來(lái)減輕精神壓力 ,保持良好的精神狀態(tài)。2 .波-最佳學(xué)習(xí)狀態(tài)波主要是由腦的枕部發(fā)出的腦電波 ,與 波不同 ,波是一種比

6、較緩慢的腦電波 ,當(dāng)人們處于放松狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)。我們通過(guò)學(xué)習(xí)獲取的大多數(shù)主要信息將被存儲(chǔ)進(jìn)潛意識(shí)之中。許多研究人員發(fā)現(xiàn) ,人們可以通過(guò)潛意識(shí)很好地獲取大量信息。而波正是最適于大腦潛意識(shí)活動(dòng)的狀態(tài)。英國(guó)快速學(xué)習(xí)革新家科林羅斯說(shuō) :這種腦電波以放松和沉思為特征 ,是你在其中幻想、施展想象力的大腦狀態(tài)。它是一種放松性警覺(jué)狀態(tài) ,能促進(jìn)靈感、加快資料收集、增強(qiáng)記憶。波讓你進(jìn)人潛意識(shí) ,而且由于你的自我意象主要在你的潛意識(shí)之中 ,因而它是進(jìn)人潛意識(shí)唯一有效的途徑。所謂放松性警覺(jué)狀態(tài) ,并不是指注意力渙散甚至準(zhǔn)備去睡覺(jué) ,而是在保持適度的感知覺(jué)及思維的靈敏度下的一種精神放松狀態(tài) ,亦即中度清醒狀態(tài)。而中度清醒

7、的標(biāo)志就是腦電波處于波狀態(tài)。心理學(xué)家早已發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)我們處于中度清醒狀態(tài)時(shí) ,最能有效地完成任務(wù)。這是因?yàn)?,當(dāng)腦電波處于波狀態(tài)時(shí) ,一種叫內(nèi)啡肽的腦內(nèi)麻醉劑被分泌出來(lái) ,這種物質(zhì)會(huì)大幅度提高多巴胺的功能 ,而多巴胺又是一種可以使人產(chǎn)生某種欲望或堅(jiān)強(qiáng)意志的介質(zhì)?？梢?jiàn) ,波狀態(tài) (放松性警覺(jué)狀態(tài) )是一種最佳的學(xué)習(xí)和工作狀態(tài)。3.如何達(dá)到最佳學(xué)習(xí)狀態(tài)當(dāng)我們使自己適度放松時(shí) ,腦電波便會(huì)自動(dòng)地達(dá)到波狀態(tài) ,這看似不難 ,在具體實(shí)行時(shí)卻并非易事。這不但需要我們主觀上要有意識(shí)地放松 ,而且要有一定的客觀條件。1.3 腦電波與失眠失眠 (insomnia)是以難以入睡和維持睡眠困難為特征 ,并影響睡眠質(zhì)量

8、的一種最常見(jiàn)的睡眠障礙。美國(guó)蓋洛普民意調(diào)查表明 ,95%的美國(guó)成年人曾有過(guò)失眠.針對(duì)失眠采取的眾多治療方案中 ,儀器治療是其中較為新穎 ,前景廣闊的一種。腦電圖研究發(fā)現(xiàn)波是腦電波中頻率最高的一種 ,在正常的興奮狀態(tài)占主導(dǎo)。合上雙眼進(jìn)入放松狀態(tài)時(shí) ,腦電波活動(dòng)明顯減慢 ,此時(shí)出現(xiàn)平穩(wěn)的 波 ,缺乏波是緊張、焦慮、大腦受損和疾病的標(biāo)志。當(dāng)平靜放松并開(kāi)始困倦時(shí) ,腦電波活動(dòng)會(huì)更加緩慢 ,此時(shí)出現(xiàn)更有節(jié)奏的 波 。波狀態(tài)被稱為過(guò)濾狀態(tài) ,處于清醒與睡眠之間 ,大部分人一旦產(chǎn)生大量的 波就立即開(kāi)始進(jìn)入睡眠狀態(tài)。熟睡后 ,主要的腦電波變?yōu)?波 ,一種比 波還慢的腦電波 。1.4 腦電波與疾病 兒童多動(dòng)癥（

9、兒童多動(dòng)綜合征）有三個(gè)名稱：，腦功能輕微失調(diào)（mbd）、注意缺陷障礙（add）或注意缺陷多動(dòng)障礙（adhd）。早在1854年，德國(guó)醫(yī)生霍夫曼首次把兒童活動(dòng)過(guò)多作為一種病態(tài)進(jìn)行了描述。1962年牛津會(huì)議決定統(tǒng)一采用腦功能輕微失調(diào)。在我國(guó)，最為人熟知的是兒童多動(dòng)癥這一名稱。它指的是智力正常或基本正常的兒童，存在著與實(shí)際年齡不相符合的注意困難、活動(dòng)過(guò)度、易沖動(dòng)等特點(diǎn)，因而造成學(xué)習(xí)困難、社會(huì)適應(yīng)能力差等結(jié)果。據(jù)估計(jì)，約25%到40%的此類患兒有學(xué)習(xí)困難；30%到90%的此類兒童同時(shí)伴有情緒障礙。在我國(guó)，患兒童多動(dòng)癥的兒童占全體兒童的8%以上。美國(guó)食物、藥物管理局（us fda）已通過(guò)批準(zhǔn)使用eeg 生

10、物反饋儀器治療adhd add等精神疾病。在臨床醫(yī)學(xué)上生物反饋技術(shù)已成為治療的重要方法 ,以往的腦電生物反饋系統(tǒng) (治療失眠癥、精神緊張、兒童多動(dòng)癥、焦慮癥 )都需要心理活動(dòng)的介入 ,即需要病人的主觀心理調(diào)節(jié)參與 ,這對(duì)精神病患者和兒童就不適用。正弦調(diào)制系統(tǒng)為新型的生物反饋提供了理論依據(jù) ,如果從患者自身的腦電信息來(lái)控制正弦光的頻率而構(gòu)成閉環(huán)正反饋系統(tǒng) ,或者根據(jù)需要調(diào)整腦波頻段直接用相應(yīng)頻率的進(jìn)行刺激使其增加 ,這樣就有可能使生物反饋技術(shù)提高到一個(gè)新的高度和水平。1.5 腦電波與氣功 西方的入靜(medetation)，中國(guó)的氣功，印度的瑜珈，到日本的禪宗等，都是使人的大腦進(jìn)入某種入靜意識(shí)-

11、入靜. 幾十年來(lái)，學(xué)者們利用現(xiàn)代科技手段對(duì)氣功入靜對(duì)大腦機(jī)能的影響做了初步研究。通過(guò)腦電圖和中樞神經(jīng)介質(zhì)生化成分實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)入靜會(huì)使大腦皮層進(jìn)入特有的主動(dòng)性內(nèi)抑制過(guò)程。這是一定程度的良性抑制，是一種高度有序化的激活狀態(tài)。 大腦通常在深度休息的時(shí)候，既在睡眠期中的第三或第四階段或靜坐入靜，才會(huì)產(chǎn)生波。它的特點(diǎn)是波幅（amplitude）特別高，數(shù)倍於波，其次是頻率特別穩(wěn)定及與波同步。在生理上，處?kù)恫顟B(tài)之下，體力及精神回復(fù)得最快。在心理上，是最能消除日間所受的精神壓力。對(duì)于腦電研究還表明，入靜時(shí)，大腦皮層活動(dòng)是逐漸由興奮狀態(tài)轉(zhuǎn)入到抑制狀態(tài)，這對(duì)大腦皮層有保護(hù)作用。同時(shí)，這種較強(qiáng)的抑制過(guò)程，有利

12、于大腦皮層發(fā)揮機(jī)能以維持人體生理的動(dòng)態(tài)平衡，并使大腦皮層由于緊張興奮而出現(xiàn)的機(jī)能紊亂得到康復(fù)。1.6 人腦體操與鍛煉儀器到目前為止，已經(jīng)有足夠多的生理心理學(xué)和神經(jīng)學(xué)研究結(jié)果證明：聲光刺激和腦電神經(jīng)反饋鍛煉作用于人腦的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)大腦產(chǎn)生多種有益的作用效果，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且無(wú)藥物的不良影響。這種“大腦體操”對(duì)人腦的作用完全類似于廣播體操對(duì)身體的鍛煉。本項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“大腦體操”所需軟、硬件的樣機(jī)。電極電路反饋二. 系統(tǒng)組成如圖所示，系統(tǒng)外圍包括：電極，腦電放大器，低通開(kāi)關(guān)電容濾波器，光電眼鏡，立體聲耳機(jī)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多路時(shí)鐘，紅外線數(shù)據(jù)傳輸器，圖型液顯示器，按鍵等。人腦心

13、智鍛煉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)應(yīng)用motorola dsp56f805為主芯片，同時(shí)處理兩通道模數(shù)轉(zhuǎn)換，8段數(shù)字濾波、各種應(yīng)用算法，包括左右腦電頻譜圖及壓縮、回放mp3音效片段，和多路時(shí)鐘源產(chǎn)生調(diào)頻正弦波、片外低通濾波器時(shí)鐘源、串行通訊接口及多條gpio，由于消費(fèi)類電子產(chǎn)品對(duì)成本極為敏感，考慮到motorola flash56800系列dsp具有豐富的外圍接口，高效的算法指令，友好的編程界面，極好的性價(jià)比，故采用dsp56f805.三. 人機(jī)界面左鍵：翻閱。右鍵：選擇。主菜單：eeg模式。聲光模式。閉環(huán)牽引模式。a)在eeg模式時(shí)，每通道的腦電放大器負(fù)責(zé)提取微弱的腦電信號(hào)，頻帶為130hz。包括約2

14、0k的增益，去除直流電進(jìn)行平，抑制50hz交流干擾，窄帶低通濾波后進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，在dsp芯片內(nèi)被實(shí)時(shí)地計(jì)算分離出波（4-7hz），波（8-12hz），波（13-30hz），再分別計(jì)算出它們的功率值。然后根據(jù)菜單選中的訓(xùn)練頻段的功率值輸出按比例變化的音調(diào)，音調(diào)的變化由timer變頻控制。b)在聲光模式時(shí)，以上功能模塊不工作，dsp計(jì)算產(chǎn)生兩路正弦波數(shù)據(jù)后經(jīng)dac變換為正弦波分別輸出耳機(jī)左、右聲道，左、右聲道頻率之差從0到30hz，取決于鍛煉的目的，比如：fl- fr = 5hz時(shí)為催眠。c)在閉環(huán)牽引模式時(shí)，以上兩部分功能全部開(kāi)啟形成閉環(huán)系統(tǒng)，以增強(qiáng)鍛煉的效果。光 電路聲四. 硬件描述：a)

15、頭皮電極用鍍銀電極，使用前用鹽水浸泡。電極放置方法：按國(guó)際10-20系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)參考電極分別放置在左、右耳垂處，兩信號(hào)電極分別放置在o1、o2位置，drl電極可以接在人體任何位置。b) 腦電放大器：采用現(xiàn)代高阻儀表放大器做輸入的，總增益約20kv/v，另加屏蔽驅(qū)動(dòng)電路和右腳驅(qū)動(dòng)電路抑制50hz干擾，通頻帶1-30hz。c) a/d之前的抗混疊濾波器采用8階橢圓低通開(kāi)關(guān)電容濾波器，截止頻率由時(shí)鐘頻率控制，dsp中的內(nèi)置兩通道、八路12位分辨率adc,可配置成兩通道兩路同時(shí)采樣，最高采樣率達(dá)1.66msps，adc內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率5mhz,8.5個(gè)時(shí)鐘頻率即可完成單次轉(zhuǎn)換，具備與dsp內(nèi)部tim

16、er模塊、pwm模塊及外部信號(hào)同步觸發(fā)功能，本系統(tǒng)就是利用timer模塊的tc2、tc3定時(shí)中斷并觸發(fā)adc，對(duì)130hz的腦電信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為250hz timer提供精確50%占空比3.5k時(shí)鐘，r1.5。兩路eeg信號(hào)從an0、an4輸入。d) motoroladsp56805內(nèi)部有16個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可對(duì)內(nèi)/外部事件計(jì)數(shù)，及對(duì)外部輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)等基本功能，其中包括定頻/變頻脈沖輸出，由于腦電信號(hào)經(jīng)eeg放大器放大后，須進(jìn)行帶限處理，利用timer模塊的tc0、tc1提供8階橢圓低通開(kāi)關(guān)電容濾波器3.5khz的工作時(shí)鐘，截止頻率由時(shí)鐘頻率控制。timer d 模塊分別輸出變頻方

17、波，調(diào)節(jié)聲、光節(jié)率。e) 128*64像素的lcd顯示器負(fù)責(zé)顯示功能菜單和eeg頻譜對(duì)稱性圖，lcd通過(guò)dsp外部存儲(chǔ)器跟dsp連接，另加4條gpio控制腳。f)鍵盤(pán)只有兩個(gè)按鍵，按左鍵滾動(dòng)菜單項(xiàng)，右鍵選擇項(xiàng)，分別接irqa和irqb外部中斷。g) 805片內(nèi)串行通訊接口(spi)可方便地將各種dsp產(chǎn)生的音效算法輸出到外部dac。h) 利用片內(nèi)串行通訊接口(sci)通過(guò)紅外數(shù)據(jù)接口設(shè)備(irda)與家用pc通信，安全方便。系統(tǒng)原理圖五. 軟件描述a)由于要求從原始腦電信號(hào)中提取出7個(gè)頻段的信號(hào)功率，無(wú)相位要求，故采用以下指標(biāo)的7個(gè)iir數(shù)字帶通濾波器。0.8 2.9 hz, 通帶波紋1.0d

18、b, 阻帶衰減 46db。3.2 5.0 hz, 通帶波紋1.0db, 阻帶衰減48db5.3 7.8 hz, 通帶波紋1.0db, 阻帶衰減48db8.2 10.8 hz, 通帶波紋1.0db, 阻帶衰減48db11.3 14.8 hz, 通帶波紋0.5db, 阻帶衰減48db 15.3 18.0 hz, 通帶波紋0.5db, 阻帶衰減50db24.5 34.0 hz, 通帶波紋0.1db, 阻帶衰減44db (53db 50hz)b) 每通道128點(diǎn)fft計(jì)算，并在lcd上顯示左右腦半球的eeg頻譜對(duì)比圖(即腦頻譜鏡),重疊比4:1,即每0.25秒計(jì)算更新一次。靜音數(shù)字濾波基線調(diào)整查表確定

19、:目標(biāo)頻域wb和逃逸頻域eb對(duì)wb、eb進(jìn)行數(shù)字帶通濾波分別計(jì)算頻帶能量計(jì)算比率：ratio=ewb/eeb是音韻模式？比率大于閥值？輸出音頻回放根據(jù)比率連續(xù)調(diào)整輸出頻率查表輸出基調(diào)頻率c) 在腦波反饋模式中(eeg)，電子儀器通過(guò)頭皮電極實(shí)時(shí)地拾取出腦波信號(hào)，并通過(guò)特殊的音效反饋給入靜者，使其通過(guò)自身的心理調(diào)整，更加接近目標(biāo)狀態(tài)。每通道獨(dú)立進(jìn)行、三頻段數(shù)字帶通濾波，濾波輸出后進(jìn)行相應(yīng)的頻段幅度比計(jì)算，再根據(jù)相應(yīng)的比值控制可變頻方波發(fā)生器輸出，驅(qū)動(dòng)音頻。d) 在聲光模式時(shí)，通過(guò)用戶設(shè)定，儀器根據(jù)特定的生理節(jié)律，以音效、閃光的形式產(chǎn)生誘導(dǎo)刺激。通過(guò)一個(gè)8段序列發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)純正弦波和背景粉紅噪音，調(diào)制聲、光輸出。聲音基調(diào)、振動(dòng)頻率、左右耳聲音強(qiáng)度、粉紅背景音強(qiáng)度、聲音段長(zhǎng)度和時(shí)間段長(zhǎng)度等都可由用戶自定義調(diào)節(jié)。