专利名称：一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及睡眠治疗领域，尤其是涉及一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置及其控制方法。
背景技术：
自古以来，人类梦寐以求洞察自身机能，自主调节机体内部功能。近40年来，人们一直有研究用仪器检测身体自身生理信息，以视、听、触摸等方式回授给受试对象，训练人类识别这类信息，学习有意识控制自身的心理生理活动，达到调整机体功能，发挥人体潜力之目的。这就是生物反馈技术。睡眠是维持人体生命的极其重要的生理功能，就像水和食物一样对人必不可少。 现在社会竞争激烈，生活节奏逐步加快，来自工作、学习、生存等方面的压力影响着各式人群，大多数人都面临着睡眠不足甚至失眠的困扰。失眠给人类带来的困扰不仅仅是精神上的，还有生理上的各种不良反应。比如焦虑、抑郁或恐惧心理而引发的身体疲惫、困乏，妨碍正常的社会功能，且持续时间久，较容易复发。睡眠质量不好主要表现为入睡时间增多，熟睡时间减少，睡眠效率降低，睡眠潜伏期延长，觉醒次数增加。目前人们解决失眠的困扰通常是通过体育锻炼、药物治疗、心理治疗、中药治疗、 物理治疗、生物反馈等方法。生物反馈疗法被认为是继医学传统治疗、药物和物理治疗之外的一种新的治疗和预防疾病的方法，而脑电生物反馈技术用于临床相对较少。脑电睡眠研究发现，动物或人处于极低觉醒水平时就进入睡眠状态，当人们在睡眠的初期出现θ波时常伴有困倦感觉。失眠症患者在觉醒状态时其脑电图可以呈α波慢波化，波幅较低，缺少调幅现象。初步研究结果表明，脑电生物反馈可以有效而稳定影响脑电的活动，最终使患者睡眠功能和社会功能正常化。脑电生物反馈是一个学习的过程，是用电子仪器处理脑电波中的α波谱，使患者感受自身的信息，学习有意识地运用心理过程来触发某种生理机制，诱导α波成分的序化和θ波的产生，以达到治疗目的。有关资料显示， 采用脑电生物反馈治疗后患者能明显增加总睡眠时间及S3、S4期睡眠，缩短睡眠潜伏期， 睡眠觉醒次数减少，睡眠效率提高。提示通过对失眠者患者进行α波、SMR波和θ波反馈训练可诱导入睡，延长睡眠时间，提高睡眠质量。生物反馈治疗能避免使用镇静催眠药物导致的副作用和成瘾倾向，消除患者的心理负担。另外，目前市场上电子睡眠仪有多种类型，但其作用原理较为单一，基本上是以中国传统医学治疗失眠症的《耳针疗法》为基础，存在输出波形单一、不区分人体睡眠状态而强制刺激的弊端。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，依据生物反馈技术，提供一种可较好地延长睡眠时间，提高睡眠质量的基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置。
本发明的另一个目的在于提供一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置控制方法。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，又称“好梦发生器”，其特征在于，包括脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器、测控系统、分析算法模块、刺激信号数据库、 D/A输出电路、驱动电路、刺激电极和系统电源；所述脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器、测控系统、D/A输出电路、驱动电路以及刺激电极依次顺序连接，所述分析算法模块、刺激信号数据库与测控系统相连接；所述脑电电极提取脑电信号后，该脑电信号经放大滤波电路无失真放大并滤除噪声后，通过A/D采样器将该脑电信号转换为数字信号，经测控系统监测和分析算法模块分析脑电图信号特征，判断受试者所处的睡眠层次；然后，从刺激信号数据库中选择相应刺激信号数据，由D/A输出电路转换为模拟信号输出，并将该信号反馈给刺激电极。优选的，所述电极装置采用两路电极进行脑电图信号提取，提取位置为治疗者的前额，分左右排列。治疗者的左耳和右耳的耳垂安装参考电极。优选的，所述放大滤波电路装置包括依次顺序连接的将脑电信号提取并无失真放大的前级放大滤波电路、工频陷波电路和后级放大滤波电路。优选的，所述前级放大滤波电路包括一级放大电路和二级放大电路，一级放大电路通过精密仪表放大器来实现，二级放大电路通过顺序连接的一阶低通滤波器和二阶低通滤波器来实现放大和滤波功能，其中一阶低通滤波器的通带频率为0. 5Hz 100Hz，放大增益为10 100倍，二阶低通滤波器品质因数为0. 5 10，放大增益为1 10倍。优选的，所述前级放大滤波电路和工频陷波电路之间有一个用于消除两者在连接过程中电阻匹配问题的电压跟随电路。优选的，所述后级放大滤波电路包括一阶低通滤波电路和二阶低通滤波电路来实现放大和滤波功能，一阶低通滤波器可以通过调节滑动变阻器改变放大量来调节治疗强度和防止波形截顶失真。优选的，所述测控系统选用单片机来实现，A/D采样和D/A输出均采用单片机自带的 ADC 禾口 DAC0优选的，所述分析算法模块采用过零点频率检测快速傅里叶分析或均值检测等算法和幅度、斜率、频率、均值等判据来判断输入脑电波的类型和特征。优选的，所述电极装置采用两路刺激输出电极，刺激位置为治疗者的前额，或者双耳耳垂；左耳和右耳的耳垂选取为参考电极。为系统更简化，本装置中刺激输出和脑电图采集可采用同一对电极，分时使用。一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置的控制方法，其特征在于，包括下述具体步骤步骤(一)研究睡眠层次及其与脑电波的对应关系；步骤(二)提取脑电波的各种标准基波作为实施治疗处方的基本元素，研究并设计了针对不同睡眠层次的刺激信号处方，建立专门的数据库；步骤(三)利用脑电电极提取脑电信号，并且经过滤波放大电路进行无失真放大；步骤(四)将放大信号进行A/D转换，利用分析算法进行处理分析，得到脑电图信号特征；并通过波形显示模块显示此时人体所处睡眠状态；步骤(五)根据脑电图信号特征分析判断此时人体所处的睡眠层次，确定人所处的睡眠节律，包括δ、θ、α、β四种节律；单片机自动调用数据库，选择相应刺激信号数据，输出对应于更深睡眠层次的脑电信号以诱导人体更深入地睡眠。比如，检测到人体处于 β节律，则单片机输出比当前节律更低频率的α节律的脑电信号；若检测到人体处于δ 节律，说明人体处于睡眠状态，则停止波形输出；步骤(六)将刺激信号通过D/A转换，通过驱动电路输出到刺激电极，通过中断控制使得单片机响应使用者的某种意外请求，如需要强度调节或结束治疗，若使用者操作失误则返回主菜单重新运行；步骤(七)将刺激信号通过刺激电极接于人体，诱导治疗者入睡。与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果本发明以单片机系统为测控平台，配上前端的脑电信号放大滤波电路、刺激波信号数据库和后端的刺激信号发生与驱动电路等，可实现对脑电信号的采集、放大、分析处理，并根据脑电图特征判断此时人体所处的睡眠层次、选择相应的治疗模式、刺激波群和刺激强度，最后通过后级刺激电路输出治疗配方，实现生物反馈式睡眠治疗。因此，本发明可实时检测脑电图并分析其特征，自动产生对应于睡眠层次的刺激信号，并强度可调，其特点是既可以根据人体睡眠状态自适应调整刺激处方输出，又兼具目前产品的特点实现刺激信号的强制输出。这种基于脑电图生物反馈控制方法的睡眠治疗装置具有独特的自适应能力，可针对睡眠层次输出针对性的刺激波，包括刺激波群和刺激强度，从而更有效地诱导强化睡眠深度、延长睡眠时间、提高睡眠质量；在达到理想的睡眠深度或者足够长的睡眠时间之后， 装置将自动停机，以避免过度刺激治疗。
图1是本发明一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置的结构示意图；图2是图1所示装置中脑电信号提取与刺激位置示意图；图3是图1所示装置中前级放大滤波电路中的精密仪表放大电路的原理图；图4是图1所示装置中的前级放大滤波电路中的二级放大电路的原理图；图5是图1所示装置中的后级放大滤波电路原理图；图6是图1所示装置中的软件流程图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图1所示，本基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置包括脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器、测控系统、分析算法模块、刺激信号数据库、D/A输出电路、驱动电路、刺激电极和系统电源；所述脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器，测控系统、D/A输出电路、驱动电路以及刺激电极依次顺序连接，所述分析算法模块、刺激信号数据库与测控系统相连接；所述脑电电极提取脑电信号后，该脑电信号经放大滤波电路无失真放大后，通过 A/D采样器将该脑电信号转换为数字信号，经测控系统监测和分析算法模块分析脑电图信号特征，判断受试者所处的睡眠层次；然后，从刺激信号数据库中选择相应刺激信号数据， 由D/A输出电路转换为模拟信号输出，并将该信号反馈给刺激电极。如图2所示所述脑电电极装置采用两路电极进行信号提取，选取A、B两点(耳垂部位)作为参考电极，脑电信号提取部位位于前额上Fpl、Fp2两点。为了系统的简洁，利用时分复用原理将Fpl、Fp2两点作为刺激电极作用位置。所述放大滤波电路装置包括依次顺序连接的将脑电信号提取并无失真放大的前级放大滤波电路、工频陷波电路和后级放大滤波电路。所述前级放大滤波电路包括一级放大电路和二级放大电路，如图3所示，一级放大电路通过仪表放大器AD627芯片进行无失真放大，采用差分信号的输入方式来实现信号的传输；二级放大电路包括一阶低通滤波器、二阶低通滤波器。如图4所示，一阶低通滤波器由电阻R2、电阻R3、滑动变阻器IROl和电容C8、电容C9以及放大器U2A组成了，其通带频率为35Hz，放大增益为44倍。随着信号频率的增大，电容C9容抗减小，从而使整体电路的增益减小，所以此放大电路具有低通滤波的功能， 对频率高的信号具有衰减作用；另外在该电路中还采用隔直电容C8，用来滤除输入信号中的直流分量。二阶低通滤波器由电容C10、电容C11、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和放大器U2D组成，其品质因素选取为1，放大倍数为设置为2. 3倍。在上述前级放大滤波电路后是工频陷波电路，其功能是用于抑制市电中50HZ的工频对所提取脑电波的干扰，在前级放大滤波电路和陷波电路之间又有一个用于消除两者在连接过程中电阻匹配问题的电压跟随电路。如图5所示，上述后级放大滤波电路可以通过顺序连接的一阶低通滤波器和二阶低通滤波器来实现放大和滤波功能，一阶低通滤波器包括通过调节放大量来调节治疗强度和防止波形截顶失真的滑动变阻器。所述测控系统选用C8051F020单片机来实现，也可采用现有技术中的C8051F021、 C8051F022、C8051F023等芯片来实现，A/D采样和D/A输出均采用上述单片机自带的ADC和 DAC。所述分析算法模块采用过零点频率检测等算法和幅度、斜率、频率、均值等判据来判断输入脑电波的类型和特征。零点即为波形的中间取值，对于八位采样值，零点就是 0x7F;波形经过零点次数越多则说明频率越高。一旦确定人所处的睡眠节律，包括δ、Θ、 α, β四种节律，单片机就会输出比当前节律更低频率的脑电信号以诱导人体睡眠。如检测到人体处于β节律，则单片机输出α节律的脑电信号；若检测到人体处于δ节律，说明人体处于睡眠状态，则停止波形输出。所述电极装置采用两路刺激输出电极，刺激位置为治疗者前额上的Fpl、Fp2两点，或者双耳耳垂A、B点。为系统更简化，本装置中刺激输出与脑电图采集可采用同一对电极，分时使用。
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一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置的控制方法，其特征在于，包括下述具体步骤步骤(一)研究睡眠层次及其与脑电波的对应关系；步骤(二)提取脑电波的各种标准基波作为实施治疗处方的基本元素，研究并设计了针对不同睡眠层次的刺激处方，建立专门的数据库；步骤(三)利用电极提取脑电信号，并且经过如图1所示的滤波放大电路进行无失真放大，并消除噪声干扰；步骤(四)将放大信号进行A/D转换，利用分析算法进行处理，通过如图6所示的波形显示模块得到此时脑电波形特征和人体所处睡眠状态，优选的，采用LCD12864作为显示模块；步骤(五)根据如图1所示的分析算法模块判断此时人体所处的睡眠状态，包括下述步骤1、其采用如图6所示的过零分析系统，零点即为波形的中间取值，对于八位采样值，零点就是0x7F ；波形经过零点次数越多则说明频率越高；2、根据脑电图信号特征分析判断此时人体所处的睡眠层次，确定人所处的睡眠节律，包括δ、θ、α、β四种节律；单片机自动调用数据库，选择相应刺激信号数据，输出对应于更深睡眠层次的脑电信号以诱导人体更深入地睡眠。比如，检测到人体处于β节律， 则单片机输出比当前节律更低频率的α节律的脑电信号；若检测到人体处于δ节律，说明人体处于睡眠状态，则停止波形输出；步骤(六)将刺激信号通过D/A转换，根据采集到的波形的频率进行选择性输出， 通过驱动电路输出到刺激电极，通过图6中的中断操作使得单片机响应使用者的某种意外请求，如需要强度调节或结束治疗，若使用者操作失误则返回正常；软件强度调节能使用按键完成，而不需要使用者调节滑动变阻器；步骤(七)将刺激信号通过刺激电极接于人体，诱导治疗者入睡。上述基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置的控制方法是如图6所示的反馈治疗的步骤；另一控制方法是模式治疗，它不需根据脑电图特征，比如频率值，确定输出的波形时间及顺序，而是根据年龄段，比如老年人、中年人、青年和少年四种模式所设定好的输出时间及刺激波形的输出顺序而直接输出，所以执行此种模式无需进行数据采集和分析。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，又称“好梦发生器”，其特征在于，包括脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器、测控系统、分析算法模块、刺激信号数据库、D/A输出电路、驱动电路、刺激电极和系统电源；其中所述脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器，测控系统、D/A输出电路、驱动电路以及刺激电极依次顺序连接，所述分析算法模块、刺激信号数据库与测控系统相连接；所述脑电电极提取脑电信号后，该脑电信号经放大滤波电路无失真放大后，通过A/D 采样器将该脑电信号转换为数字信号，经测控系统监测和分析算法模块分析脑电图信号特征，判断受试者所处的睡眠层次；然后，从刺激信号数据库中选择相应刺激信号数据，由D/ A输出电路转换为模拟信号输出，并将该信号反馈给刺激电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，所述电极装置采用以保证脑电信号提取的可靠性的两路电极进行脑电图信号提取，提取位置为治疗者的前额。
3.根据权利要求1所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，所述放大滤波电路装置包括依次顺序连接的将脑电信号提取并无失真放大的前级放大滤波电路、工频陷波电路和后级放大滤波电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，所述前级放大滤波电路包括一级放大电路和二级放大电路，一级放大电路通过精密仪表放大器来实现，二级放大电路包括顺序连接的一阶低通滤波器和二阶低通滤波器，其中一阶低通滤波器的通带频率为0. 5Hz 100Hz，放大增益为10 100倍，二阶低通滤波器品质因数为0. 5 10，放大增益为1 10倍。
5.根据权利要求3所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，所述前级放大滤波电路和工频陷波电路之间有一个用于消除两者在连接过程中电阻匹配问题的电压跟随电路。
6.根据权利要求3所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，后级放大滤波电路通过一阶低通滤波器和二阶低通滤波器来实现放大和滤波功能，一阶低通滤波器包括通过调节放大量来调节治疗强度和防止波形截顶失真的滑动变阻器。
7.根据权利要求1所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，所述测控系统选用单片机来实现，A/D采样和D/A输出均采用单片机自带的ADC和DAC。
8.根据权利要求1所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，所述分析算法模块采用过零点频率检测、快速傅里叶分析或均值检测算法和幅度、斜率、频率、均值判据来判断输入脑电波的类型和特征。
9.根据权利要求1所述的一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，其特征在于，电极装置采用两路刺激输出电极，刺激位置为治疗者的前额位置，或者左耳和右耳的耳垂位置。为系统更简化，刺激输出与脑电图采集采用同一对电极，分时使用。
10.根据权利要求1-9任一项所述一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置的控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤(1)睡眠层次及其与脑电波的对应关系；(2)提取脑电波的各种标准基波作为实施治疗处方的基本元素，研究并设计了针对不同睡眠层次的刺激处方，建立专门的数据库；(3)利用电极提取脑电信号，并且经过滤波放大电路进行无失真放大；(4)将放大信号进行A/D转换，利用分析算法进行处理分析，得到脑电图信号特征；并通过波形显示模块显示此时人体所处状态；(5)根据脑电图信号特征分析判断此时人体所处的睡眠层次，确定人所处的睡眠节律， 包括δ、θ、α、β四种节律；单片机自动调用数据库，选择相应刺激信号数据，输出对应于更深睡眠层次的脑电信号以诱导人体更深入地睡眠。比如，检测到人体处于β节律，则单片机输出比当前节律更低频率的α节律的脑电信号；若检测到人体处于S节律，说明人体处于睡眠状态，则停止波形输出；(6)将刺激信号通过D/A转换，通过驱动电路输出到刺激电极，通过中断控制使得单片机响应使用者的某种意外请求，如需要强度调节或结束治疗，若使用者操作失误则返回主菜单重新运行；(7)将刺激信号通过刺激电极接于人体，诱导治疗者入睡。
全文摘要
本发明涉及一种基于脑电图生物反馈的睡眠治疗装置，又称“好梦发生器”，装置包括，脑电电极、脑电信号的放大与滤波电路、A/D采样器，基于单片机的测控系统、D/A输出电路，刺激信号驱动电路和系统电源等部分。其中所述脑电信号、脑电电极、放大滤波电路、A/D采样器，测控系统、D/A输出电路、驱动电路以及刺激电极依次顺序连接，所述分析算法模块、数据库与测控系统相连接。本发明以单片机系统为测控平台，配上前端的脑电信号放大滤波电路、刺激波信号数据库和后端的刺激信号发生与驱动电路，实现对脑电信号的采集、放大、分析处理，根据脑电波特征选择相应的治疗模式、刺激波群和刺激强度，最后通过后级刺激电路输出治疗配方，实现生物反馈式睡眠治疗。
文档编号A61N1/36GK102179001SQ201110104108
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者温国冠, 陆尧胜, 顾龙 申请人:暨南大学