可攜式腦功能生物反饋儀的製作方法

2023-10-23 12:59:37 2

專利名稱：：可攜式腦功能生物反饋儀的製作方法
技術領域：
：本發明涉及腦電信號檢測及其生物反饋技術。
背景技術：
：注意力障礙多動綜合症(ADHD)是學齡兒童最常見的現象或狀態(甚至可以說是精神疾病之一)，其主要表現為注意力不集中、多動及衝動並造成了學習困難等症狀。大約有5%15X的兒童患有ADHD，而其中20%的人其症狀一直伴隨到成年。因此，有人提出需要治療，在治療上主張多模式治療，以中樞興奮劑為主。但藥物僅對部分病例有暫時效果且副作用較大、依從性差。隨著現代腦電生物反饋理論與技術的發展，用於人腦的檢測和反饋的工作站式的腦電生物反饋的系統在發達國家已有開發。但是，國際上的腦功能生物反饋儀目前主要還是要藉助於工作站或PC機，其價格昂貴，需要專業人員操作，在國內難以推廣普及。對生物電的測量可見CN200310106129.2提出的高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比以及寬頻帶多通道心電放大器
發明內容本發明的目的是，提出一種腦電生物反饋系統及其檢測方法，尤其是用於改善注意力障礙多動綜合症，即得到以及分辨起碼兩種狀態的腦電波，可以改善注意力障礙多動綜合症(ADHD)狀，無副作用和無痛苦，並可以持久保持效果，而且可以有效地改善與ADHD相關的認知缺陷，從而成為ADHD多種幹預方法和裝置中有力的一種。本發明目的是這樣實現的由輸入傳感器即接人體的腦電測量導聯、放大與選頻模塊、導聯脫落自動檢測模塊、屏蔽驅動與右腿驅動模塊、A/D採樣與轉換模塊、電氣隔離模塊、DSP構成的計算分析模塊、觸控螢幕及揚聲器構成的人機互動模塊、SD卡構成的存儲模塊、嵌入式ARM(如ARM9)微處理器構成的控制模塊，構成並依次連接。其中，嵌入式微處理器完成整個系統控制；放大與選頻模塊進行信號的預處理，包括高性能的前置放大器和選頻放大器；電氣隔離模塊實現過載保護並保證人體安全；A/D採樣與轉換模塊實現信號的模數轉換；計算分析模塊實現特徵腦電成分如a波(頻率813Hz)、P波(1432Hz)、e波(48Hz)的提取以及特徵參數(如不同特徵成分功率比值)的計算，以對應不同的腦電活動模式；人機互動模塊一方面將結果以視覺或聽覺的形式反饋給被測試者，另一方面也接受用戶對於各項功能與參數的選擇與設定；存儲模塊實現數據與分析結果的保存。硬體包括構成可攜式腦功能生物反饋儀的所有晶片與電路連接，例如輸入傳感器即接人體的腦電測量導聯、放大與選頻模塊、屏蔽驅動與右腿驅動電路模塊、導聯脫落自動檢查模塊、電氣隔離模塊、A/D採樣與轉換模塊、DSP及其外圍電路、觸控螢幕、揚聲器及其外圍電路、SD卡及其外圍電路、ARM9微處理器及其外圍電路。輸入傳感器採用三個電極(銀或鍍銀的電極)分別固定在頭頂和兩側耳垂，兩耳側的其中一極作為零電極(參考電極)，另外兩個電極經過緩衝電路連接到腦電前置放大器的一對差分輸入端。放大與選頻模塊實現多檔可調的腦電信號放大以及頻帶選擇，其前置放大器採用差分放大，可採用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比以及寬頻帶生物電放大器。屏蔽與右腿驅動模塊用來進一步消除共模工頻幹擾。導聯脫落自動檢查模塊利用接觸阻抗的檢測來實現。A/D採樣與轉換模塊完成單路EEG信號的採樣。電氣隔離模塊實現過載保護並保證人體的安全。DSP實現腦電成分的實時提取與敏感參數的實時計算。觸控螢幕實現人機互動。SD卡實現數據長期保存。ARM9微處理器完成整個系統的控制並實現反饋訓練。從大腦皮層採集的腦電信號是微伏(yV)級的信號，主要能量包含在0.0530Hz的頻段內，屬於信噪比低的微弱信號，容易受到周圍環境的影響，例如電力系統的工頻幹擾等。因此放大選頻模塊要儘可能靈敏而真實的反映腦電信號，必須要具備高性能的指標。在檢測系統中的放大電路的指標電路放大倍數最大20000，共模抑制比CMRR>100dB，輸入電阻>100M，短路噪聲《3iiVpp，頻帶帶寬0.2575Hz。AD轉換的主要技術指標單通道、12位解析度，採樣率1000Hz，工作方式中斷。軟體從功能上分包括控制模塊、數據採集模塊、存儲模塊、顯示模塊、運算分析模塊、人機互動模塊、數據管理模塊、實時訓練模塊和分析報告模塊。其中除運算分析模塊在DSP上完成，其它模塊均在ARM9處理器上實現。腦電信號是一種隨機性很強的非平穩信號。目前較公認的分析方法大多建立在假設腦電圖是準平穩信號的基礎上。即認為它可以分為若干段，每一段的過程基本平穩。利用DSP的高速運算能力，將實時腦電信號以2s分段，利用FFT對每一段提取腦電特徵成分並計算e/P(即^H0波與e波的功率比值)從而進行腦電活動模式分類。風戸)ARM9處理器通過控制模塊實現對各功能模塊的啟用及參數設置並使所有模塊協調工作，成為一個有機整體。人機互動模塊實現應用程式框架，友好界面，通過用戶的選擇可以調用若干功能。數據管理模塊實現用戶檔案的資料庫生成和管理。實時訓練模塊包括注意力訓練模塊、反應速度訓練模塊、短時記憶力模塊。其中注意力訓練模塊包括對受訓者標準測試模塊和反饋訓練模塊。受訓者先接受一個標準測試，處於平靜放鬆的狀態下，注視位於屏幕中央上的某一靜止物體20-60s，將這段時間的腦電信號採集存儲起來，計算出衡量注意力平均水平的特徵參數值，作為以後反饋訓練中進行比較注意力水平的標準值。然後根據注意力平均水平的特徵參數值設定注意力觀察圖案，同時檢測腦電波，經過實時特徵提取和計算後與標準測試中的基準值比較注意力水平，以圖案中的兩種作為注意力提高與分心的指標(如以積木前進或不動分別作為注意力提高與分心的指標)反饋給受訓者，促進其調整思維模式。分析報告模塊實現用戶腦電檢測和訓練結果報告的多樣化輸出。本發明的有益效果是腦功能生物反饋又稱神經反饋，通過工程技術手段將腦電(EEG)信息檢測出，並實時反饋給受訓練者，讓其了解自己的狀態，並有意識的學習控制自己的腦電模式，通過反覆訓練產生持久效應，使大腦活動向正常、健康的水平發展，以解除生理、心理的不適。與傳統的藥物法相比，腦電生物反饋療法更能充分調動受訓者的內在潛力，使受訓者積極參與治療。志願者包括發明小組自身均可以進行應用，在實用中顯示了較好效果。ADHD的腦電生物反饋訓練據有關研究表明，在思維分神或處於散漫狀態時包括ADHD者的EEG異常，與正常注意集中的腦電相比，顯示額葉e波較對照組明顯增多(這種狀態可能對應著無意識的思維狀態)，後部皮層P波減少。針對ADHD特徵性的EEG改變，腦電生物反饋法使ADHD者(上述被測試者)學會減少EEG中的e波、提高|3波，形成牢固的操作性條件反射，從而增強注意力，延長注意集中的時間，減少多動傾向。本發明提出的可攜式腦功能生物反饋儀，以嵌入式的ARM9系列晶片為內核，以高速運算的DSP為獨立運算單元，以觸控螢幕實現反饋顯示和人機互動，配合高性能的腦電信號放大與採集模塊，構成獨立的集採集、分析計算、存儲、顯示、反饋訓練、人機互動於一體的可攜式儀器，以輕鬆的動畫方式實現腦功能模式的訓練。儀器體積小巧、操作方便，成本遠低於國際上工作站式的同類儀器，適於向社區和家庭推廣。圖1是本發明總體硬體的框圖圖2是本發明總體軟體框圖圖3注意力訓練模塊流程圖圖4短時記憶力訓練流程圖圖5反應速度訓練流程圖圖6精神不集中狀態的腦電波圖圖7精神集中狀態的腦電波圖圖8精神不集中狀態的腦電波(上面的二圖)和精神集中狀態的腦電波的比較(下面的二圖)圖9是本發明前置放大器與共模驅動電路具體實施例方式基於嵌入式系統的可攜式腦功能生物反饋儀(如圖1、圖9所示)系統包括對人體(兒童)的腦電信號進行檢測的腦電檢測系統(硬體)，以及分析訓練系統(軟體)構成，從而對ADHD者的注意力水平進行定量、客觀的評定，幫助ADHD者利用生物反饋進行自我調節地提高注意力的訓練；生物反饋訓練系統包括一些人機互動的訓練模塊，也有助於幫助被測試者提高記憶力和反應速度。器件型號見附圖。圖9高性能前置放大器與共模驅動電路其中INA121、INA128構成前置放大，Rgl、Rg2調節放大倍數；R1、R2拾取共模信號，與0P37G構成共模驅動。採用前置放大器與共模驅動電路其中前置放大器輸入端由腦電極和耳電極輸入。放大器輸出端的接共模驅動電路的電阻R1、R2拾取共模信號，與0P37G構成共模驅動。可攜式腦功能生物反饋儀硬體系統框圖。腦電(EEG)信息檢測a波，頻率為813Hz，振幅為20100iiV，清醒、放鬆、安靜、閉目時出現，睜眼、思考問題或接受其它剌激時消失。P波，頻率為1435Hz，振幅為520iiV，安靜、閉目時只在額葉出現，睜眼視物、進行思考或接受其它剌激時，在其它皮層部位也出現，一般表示大腦皮層興奮。9波，頻率為48Hz，振幅為100150iiV，睏倦時出現，是中樞神經系統抑制狀態的表現。所述腦電波加以處理之後，將這些腦電波處理後信息以視覺或聽覺形式反饋給受訓者，受訓者通過對自己腦電信息的認識，學會有意識地控制自身的腦電活動，有意併集中注意力用以保持所需要的特定波形及頻率分量的腦電，從而從注意力障礙多動綜合症(ADHD狀態進入另一個集中注意力的狀態。腦電信號檢測系統指標在檢測系統中的單路腦電信號放大通道，採用三個電極分別固定在頭頂和兩側耳垂，兩耳側的其中一極作為零電極(參考電極)，另外兩個電極經過緩衝電路連接到腦電前置放大器的一對差分輸入端。採用的是銀或鍍銀的電極。放大電路的設計指標電路放大倍數最大20000，共模抑制比CMRR>100dB，輸入電阻>100M，短路噪聲《3iiVpp，頻帶帶寬0.2575Hz。AD轉換的主要技術指標單通道、12位解析度，採樣率1000Hz，工作方式中斷。圖2為軟體系統框圖，軟體系統由控制模塊、數據採集模塊、顯示模塊、存儲模塊、運算分析模塊、人機互動模塊、數據管理模塊、(實時)訓練模塊、分析報告模塊組成。其中除運算分析模塊在DSP上完成，其它模塊均在ARM9處理器上實現。ARM9處理器通過控制模塊實現對各功能模塊的啟用及參數設置並使所有模塊協調工作，成為一個有機整體。人機互動模塊實現應用程式框架，友好界面，通過用戶的選擇可以調用若干功能。實時訓練模塊包括注意力訓練模塊、反應速度訓練模塊、短時記憶力訓練模塊。注意力訓練模塊對訓練者的訓練，包括對受訓者標準測試模塊，受訓者先接受一個標準測試。受訓者處於平靜放鬆的狀態下，注視位於屏幕中央上的某一靜止物體20-60s，將這段時間的腦電信號採集存儲起來，計算出衡量注意力平均水平的特徵參數值，作為以後反饋訓練中進行比較注意力水平的標準值，存於個人信息頭文件中。然後設定注意力觀察圖案，同時檢測腦電波，經過實時特徵提取和計算後與標準測試中的基準值比較注意力水平，以圖案中的兩種作為注意力提高與分心的指標(如以小鳥的高飛和向下、或採用積木前進或不動分別作為注意力提高與分心的指標)反饋給受訓者，促進其調整思維模式。其流程圖如圖3。定義集中注意力時間百分比其中訓練分段時間可以為10s，當這10s的注意力水平比標準測試的注意力平均水平高，認為此秒注意力是集中的。還可將曲線進行擬合直線，繪製這段訓練時間注意力水平的趨勢圖。短時記憶力訓練，流程如圖4。將受訓者在短時記憶力訓練中每五次的訓練情況計算正確率，通過這個階段的訓練，可使受訓者的短時記憶力得到一定的提高。反應速度訓練，流程圖如圖5。特徵值的尋找據有關研究報導，以60名610歲兒童為研究對象，實驗組30名已確診為ADHD兒童，對照組30名為一般兒童。研究結果如下(e波48Hz，P波1321Hz，e/P:e波與e波的功率比值)。實驗組與對照組兒童的腦電圖e/P值比較tableseeoriginaldocumentpage7610歲兒童的e/|3比值一般在5.5左右，而ADHD兒童高於此數值。令確診為ADHD的10名兒童進行了10次以上的腦電生物反饋訓練。將ADHD兒]訓練前、訓練5次、訓練10次的腦電圖e/p值進行了方差分析。應用腦電生物反饋訓練效果之e/e值的比較tableseeoriginaldocumentpage7腦電生物反饋訓練對ADHD兒童的效果是顯著的，但必須堅持10次以上才能取得成果。特徵參數的提出e波與|3波的功率比值e(pW)/e(pW)的提出，為診斷ADHD提供了一個較準確的客觀指標。ADHD兒童的腦電圖e波成分較多，而|3波是反映注意力集中和精神緊張的波形。在程序中，標準測試中衡量注意力平均水平的基準值是將40s採集到的腦電數據進行固定間隔分段(設定為2s)，總共有20段腦電數據，然後對每段腦電數據計算特徵參數e/P值，最後對20個特徵參數值進行平均得到。在注意力維持訓練和實時任務訓練中，當此時特徵參數值變小(相對於標準測試的標準值)，認為注意力集中；反之，認為注意力不集中。採集到的腦電數據進行固定間隔分段(程序設定為2s)，要實時處理2s的腦電數據(數據個數為200)提取特徵參數，計算速度要求高，採用高速DSP晶片進行FFT。"戸)風戸)也等於，是e波與e波的功率比值。因為信號的功率正比於其電壓的平方，故特徵參數述加。權利要求可攜式腦功能生物反饋儀，其特徵是由輸入傳感器即接人體的腦電測量導聯、放大與選頻模塊、導聯脫落自動檢測模塊、屏蔽驅動與右腿驅動模塊、A/D採樣與轉換模塊、DSP構成的計算分析模塊、觸控螢幕及揚聲器構成的人機互動模塊、SD卡構成的存儲模塊、嵌入式ARM微處理器構成的控制模塊構成並依次連接；其中嵌入式ARM微處理器完成整個系統控制；放大與選頻模塊包括高性能的前置放大器和選頻放大器進行信號的預處理；A/D採樣與轉換模塊實現信號的模數轉換；計算分析模塊實現特徵腦電成分α波頻率8～13Hz、β波14～32Hz、θ波4～8Hz的提取以及特徵參數的計算，以對應不同的腦電活動模式；存儲模塊實現數據與分析結果的保存。2.根據權利要求1所述的可攜式腦功能生物反饋儀，其特徵是輸入傳感器採用三個電極分別固定在頭頂和兩側耳垂，兩耳側的其中一極作為零電極，另外兩個電極經過緩衝電路連接到腦電前置放大器的一對差分輸入端；所述電極是銀或鍍銀的電極。3.根據權利要求1所述的可攜式腦功能生物反饋儀，其特徵是前置放大器採用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比差分放大器，差分放大器電路放大倍數5000、10000、20000可調，共模抑制比CMRR>100dB，輸入電阻^100M，短路噪聲《3iiVpp，頻帶帶寬0.2575Hz。4.根據權利要求l所述的可攜式腦功能生物反饋儀，其特徵是對腦電信號提取a波，頻率為813Hz，；P波，頻率為1432Hz;e波，頻率為48Hz;並計算各成分之間的功率比值，e/P即^^，是e波與P波的功率比值，以e/P等於6為檢測閾值，大於風戸)6時表示一種思維狀態，小於6表示第二種思維狀態，將這些腦電信號處理後信息以視覺或聽覺的形式反饋給被測試者，促使被測試者有意識地控制自身的思維狀態。5.根據權利要求1所述的可攜式腦功能生物反饋儀，其特徵是採用嵌入式的ARM9系列的處理器為內核，以高速運算的DSP為計算分析單元，以觸控螢幕和揚聲器實現人機互動，並自帶SD卡存儲；採用前置放大器與共模驅動電路其中前置放大器由腦電極和耳電極在輸入端輸入，放大器的偏置電阻Rgl、Rg2調節放大倍數；放大器輸出端的接共模驅動電路的電阻(R1、R2)拾取共模信號，與0P37G構成共模驅動。6.根據權利要求1所述的可攜式腦功能生物反饋儀，其特徵是設有用戶交互模塊和訓練功能模塊組成，通過訓練模塊實現思維狀態的反饋訓練，用戶交互模塊實現應用程式框架，通過用戶的選擇調用若干功能；訓練功能模塊則對訓練者訓練，包括對受訓者標準測試模塊和實時訓練模塊，受訓者先接受一個標準測試，受訓者處於平靜放鬆的狀態下，注視位於屏幕中央上的某一靜止物體20-60s，將這段時間的腦電信號採集存儲起來，計算出衡量注意力平均水平的特徵參數值，作為以後反饋訓練中進行比較注意力水平的標準值。全文摘要可攜式腦功能生物反饋儀，由輸入傳感器即接人體的腦電測量導聯、放大與選頻模塊、導聯脫落自動檢測模塊、屏蔽驅動與右腿驅動模塊、A/D採樣與轉換模塊、DSP構成的計算分析模塊、觸控螢幕及揚聲器構成的人機互動模塊、SD卡構成的存儲模塊、嵌入式ARM微處理器構成的控制模塊構成並依次連接；計算分析模塊實現特徵腦電成分α波、β波、θ波的提取，給出腦電活動模式；存儲模塊實現數據與分析結果的保存。本發明通過工程技術手段將腦電信息檢測出，並實時反饋給受訓練者，通過反覆訓練產生持久效應，使大腦活動向正常、健康的水平發展，腦電生物反饋療法更能充分調動受訓者的內在潛力，使受訓者積極參與治療。文檔編號A61B5/0482GK101779955SQ20101001795公開日2010年7月21日申請日期2010年1月18日優先權日2010年1月18日發明者何愛軍,卞春華,寧新寶,莊建軍,王琪,陳穎,黃曉林申請人:南京大學