生理學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證明，在有刺激的環(huán)境中成長的老鼠，比那些沒有受到刺激的要聰明伶俐得多，同樣，人的大腦也總需要樂趣的刺激，今天，我們在現(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系統(tǒng)，通過該儀器，您可以和自己的心理互動(dòng)，‘看到’‘聽到’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，在國外已有深入研究及應(yīng)用，但在國內(nèi)還是鮮有所聞，本設(shè)計(jì)為電池供電，口袋佩帶隨身聽式、低成本、高技術(shù)含量、適合各種年齡層次人士使用的娛樂、保健用品，我們有理由相信，市場前景相當(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“LIGHT&SOUND” 。“EEG”實(shí)時(shí)監(jiān)控腦波，依照預(yù)設(shè)的方法來處理EEG 信號，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，識別期望的行為和尋找重復(fù)這行為的辦法。“LIGHT&SOUND” 利用腦電波會(huì)對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)。通過選擇合適頻率的光與聲音信號 ,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，經(jīng)過放大濾波后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過強(qiáng)大的MotorolaDSP 數(shù)字信號處理技術(shù)，對其進(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)行了初步測試，性能指標(biāo)達(dá)到國外先進(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)。

一. 背景

1.1 腦電波的由來

   早在1875 年 ,英國生理學(xué)家理查德·卡頓(RichardCaton)就從兔腦和猴腦中記錄到微弱的電流。但這一發(fā)現(xiàn)的臨床意義直到 50 年后才被認(rèn)識到。 1929 年德國精神病學(xué)家漢斯·貝格爾(HansBergar,1873——1941)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 ,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 (ＥＥＧ)的發(fā)端。

    貝格爾將電極置于顱表 ,檢測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 β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α波狀態(tài) ;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θ狀態(tài) ;深度睡眠時(shí) ,腦電波在 0 . 5— 4 赫茲波段 ,稱為δ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 ,而且顯示它們怎樣變化--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)腦電圖的顯示來調(diào)整自己的清醒程度 ,采用行之有效的方法來減輕精神壓力 ,保持良好的精神狀態(tài)。

2 .α波--最佳學(xué)習(xí)狀態(tài)

α波主要是由腦的枕部發(fā)出的腦電波 ,與 β波不同 ,α波是一種比較緩慢的腦電波 ,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)潛意識之中。許多研究人員發(fā)現(xiàn) ,人們可以通過潛意識很好地獲取大量信息。而α波正是最適于大腦潛意識活動(dòng)的狀態(tài)。英國快速學(xué)習(xí)革新家科林·羅斯說 :"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狀態(tài) ,能促進(jìn)靈感、加快資料收集、增強(qiáng)記憶。α波讓你進(jìn)人潛意識 ,而且由于你的自我意象主要在你的潛意識之中 ,因而它是進(jìn)人潛意識唯一有效的途徑。"所謂"放松性警覺狀態(tài)" ,并不是指注意力渙散甚至準(zhǔn)備去睡覺 ,而是在保持適度的感知覺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"的標(biāo)志就是腦電波處于α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α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 ,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)。可見 ,α波狀態(tài) (放松性警覺狀態(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α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)量的一種最常見的睡眠障礙。美國蓋洛普民意調(diào)查表明 ,95%的美國成年人曾有過失眠.針對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)β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 α波 ,缺乏α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 θ波 。θ波狀態(tài)被稱為過濾狀態(tài) ,處于清醒與睡眠之間 ,大部分人一旦產(chǎn)生大量的 θ波就立即開始進(jìn)入睡眠狀態(tài)。熟睡后 ,主要的腦電波變?yōu)?δ波 ,一種比 θ波還慢的腦電波 。

1.4 腦電波與疾病

兒童多動(dòng)癥（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，德國醫(yī)生霍夫曼首次把兒童活動(dòng)過多作為一種病態(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，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，患兒童多動(dòng)癥的兒童占全體兒童的8%以上。

美國食物、藥物管理局（US FDA）已通過批準(zhǔn)使用EEG 生物反饋儀器治療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ＳＭＬ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---入靜. 幾十年來，學(xué)者們利用現(xiàn)代科技手段對氣功入靜對大腦機(jī)能的影響做了初步研究。通過腦電圖和中樞神經(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θ波。它的特點(diǎn)是波幅（Amplitude）特別高，數(shù)倍於α波，其次是頻率特別穩(wěn)定及與α波同步。在生理上，處於θ波狀態(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)，這對大腦皮層有保護(hù)作用。同時(shí)，這種較強(qiáng)的抑制過程，有利于大腦皮層發(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)對大腦產(chǎn)生多種有益的作用效果，持續(xù)時(shí)間長，且無藥物的不良影響。這種“大腦體操”對人腦的作用完全類似于廣播體操對身體的鍛煉。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)。

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，頻帶為1－30Hz。包括約20K 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θ波（4-7HZ），α波（8-12HZ），β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啟形成閉環(huán)系統(tǒng)，以增強(qiáng)鍛煉的效果。

四. 硬件描述：

a) 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TIMER 模塊、PWM 模塊及外部信號同步觸發(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1—30Hz 的腦電信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為250Hz TIMER 提供精確50%占空比3.5K 時(shí)鐘，R＝1.5。兩路EEG 信號從AN0、AN4 輸入。

d) MotorolaDSP56805 內(nèi)部有16 個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可對內(nèi)/外部事件計(jì)數(shù)，及對外部輸入信號進(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 頻譜對稱性圖，LCD 通過DSP 外部存儲(chǔ)器跟DSP連接，另加4 條GPIO 控制腳。

f) 鍵盤只有兩個(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

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五. 軟件描述

a) 由于要求從原始腦電信號中提取出7 個(gè)頻段的信號功率，無相位要求，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1.0dB, 阻帶衰減 46dB。

3.2 – 5.0 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB

5.3 – 7.8 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB

8.2 – 10.8 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB

11.3 – 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50dB

24.5 – 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 頻譜對比圖(即腦頻譜鏡),重疊比4:1,即每0.25 秒計(jì)算更新一次。

c) 在腦波反饋模式中(EEG)，電子儀器通過頭皮電極實(shí)時(shí)地拾取出腦波信號，并通過特殊的音效反饋給入靜者，使其通過自身的心理調(diào)整，更加接近目標(biāo)狀態(tài)。每通道獨(dú)立進(jìn)行α、β、θ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。

軟件描述

d) 在聲光模式時(shí)，通過用戶設(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、聲音段長度和時(shí)間段長度等都可由用戶自定義調(diào)節(jié)。每個(gè)預(yù)設(shè)值均有一個(gè)獨(dú)立的用戶可編程音調(diào)，而且增加了9 個(gè)預(yù)置節(jié)拍頻率值。本功能正是采用正弦調(diào)制信號以聲光形式對主體的腦電進(jìn)行誘導(dǎo)，使之產(chǎn)生‘腦皮層共振’現(xiàn)象。

軟件描述

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e) 在閉環(huán)牽引模式時(shí)，腦波反饋模式與聲光誘導(dǎo)模式，同時(shí)作用于受試者，使聲光誘導(dǎo)可根據(jù)腦波的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大緩和腦波狀態(tài)，自我調(diào)節(jié)更有效。是一種頻率牽引效應(yīng)，使受測者在知道自己狀態(tài)的同時(shí)，被引導(dǎo)仍向目標(biāo)頻率的腦波狀態(tài)靠近，且知道靠近了多少。反饋短促且間隔較長的音頻信號。從生物反饋技術(shù)來看，是把人腦不能感知的生理信號通過電子儀器提取、轉(zhuǎn)化為聲、光信號反饋給使用者，通過自身的心理調(diào)整，改變自身的生理狀態(tài)，其中，心理調(diào)整是依靠使用者心理有意識地、甚至強(qiáng)烈的愿望，然而，一些人，如兒童、小兒多動(dòng)癥患者，精神渙散癥、精神、注意力難以集中、情緒易波動(dòng)者等都需要借助有效機(jī)制的引導(dǎo)。以當(dāng)前的腦波信號根據(jù)所設(shè)目標(biāo)頻率，使調(diào)制光及聲響依照接近目標(biāo)的距離進(jìn)行誘導(dǎo)，令受測者通過反饋信息不自覺地接近目標(biāo)。

軟件描述

程序初始化