基於生物反饋的監測治療裝置的製作方法

2023-05-26 17:42:46 1

專利名稱：基於生物反饋的監測治療裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一種基於生物反饋的監測治療裝置，特別是一種監測治療打鼾 和/或磨牙的裝置。
背景技術：
鼾聲屬於一種異常的呼吸音，是由於病變或者睡眠姿勢錯誤所引起的軟顎和舌根 等咽部軟組織隨呼吸所產生的節律性聲音。過去，打鼾被錯誤地認為是熟睡的表現，但現在 人們已經逐漸認識到這是一種疾病。打鼾的機理在於，在清醒時打鼾者的氣道咽喉部肌肉 代償性收縮使氣道保持開放，不發生堵塞，但在睡眠時神經興奮性下降，肌肉鬆弛，咽部組 織堵塞，從而使上氣道塌陷，當氣流通過狹窄部位時，產生渦流並引起振動，從而出現鼾聲。 鼾症有時會引起呼吸暫停，機體必要的換氣量受到限制，導致機體的二氧化碳分壓升高，血 氧飽和度降低，表現為睡眠呼吸暫停綜合症(Sle印Apnea Syndrome)，這通常會導致腦功 能損害，表現為白天嗜睡、智力障礙和個性改變，嚴重者可導致高血壓，心臟病，心律失常， 腦血管意外，糖尿病，腎病，甲狀腺機能減退等等，甚至發生睡眠中猝死。另外，鼾聲過大還 可能影響同室人的休息，對他人造成不良影響。所謂磨牙症是指睡眠時習慣性磨牙並隨時間加重，是一種長期的惡性循環疾病。 磨牙是中樞神經系統大腦皮質頌骨運行區的部分腦細胞不正常興奮導致三叉神經功能紊 亂，三叉神經支配咀嚼肌發生強烈持續性非功能性收縮，從而使牙齒發生嘎嘎響聲的咀嚼 運動。由於夜磨牙使牙齒強烈地叩擊在一起，又缺少食物的緩和，易造成牙齒表面的保護物 質過分磨損，並使保護物質下方的牙本質暴露出來。輕者對冷、熱、酸、甜等刺激食物過敏， 重者可導致牙床經常出血、發炎、牙齒鬆動甚至脫落。長期夜磨牙還可能引發一系列的並發 症，例如咀嚼肌功能異常，頭痛、頸背部陣痛，睡眠質量下降，記憶力減退，口臭或口腔異味， 聽力和味覺損傷等等。以前人們錯誤地認為，腸道寄生蟲引起磨牙。最新的研究表明，並不 是腸道寄生蟲引起磨牙，而是腸道對大腦的異常刺激引起磨牙。並且，磨牙和人的精神狀況 關係密切，磨牙的直接原因是植物神經功能紊亂，支配咀嚼肌的三叉神經運動支異常興奮， 或消化系統異常而給大腦發出了錯誤信號，使大腦誤以為需要進食而啟動了咀嚼肌運動， 同時由於睡眠中嘴處於緊閉狀態，因此產生磨牙現象，其病理基礎是大腦皮層異常興奮，腸 腦互動關係紊亂，腸胃功能失調。另外，思想上的壓力或不能滿足的精神狀態或精神緊張等 也可能引起磨牙。打鼾和磨牙都對人體有極為不利的影響，目前採用生物反饋(biofeedback)原理 矯正打鼾或磨牙是一種新的治療手段。生物反饋屬於一種特殊的治療方法，其運用儀器 (通常利用電子儀器)通過視覺信號、聽覺信號或其他信號，揭示人體內部的正常或異常活 動。其目的在於通過操縱那些在其它情況下意識不到或感覺不到的生理活動，以實現對機 體內部活動的控制。例如，當人進入睡眠狀態後，出現打鼾或磨牙，人自身無法意識到，也就 不可能有意識地停止打鼾或磨牙。而通過生物反饋，可對打鼾或磨牙進行矯正。通常人們 認為植物神經所支配的器官不能進行學習，所以無法進行控制，而實際上通過生物反饋學習訓練就可以實現上述器官的學習過程，從而改變機體的呼吸、消化等系統的工作狀態。如中國專利第02125728. 0號公開了一種生物信息反饋止鼾枕頭，在外裝飾的枕 套內是緩衝層，再內層是枕型流體囊罩，其內有兩個流體囊，流體囊罩中間架上固定著電路 板，拍振器。電路板與聲控放大集成電路、繼電器、定時器、腦電波發生器、拾音器、拍振頻率 控制器電連接，拍振器的線圈通過觸點與電源接通。拍振器是由拍振頻率控制器、固定在殼 內的中空線圈及中空線圈內一段鐵磁體組成。鐵磁體在中空線圈內可以軸向移動，它們之 間存在氣隙，線圈通斷電使鐵磁體振動，振動的周期是由拍振頻率控制器的可調電阻決定 的。鼾聲控制起動，產生一定強度的周期波傳入人體，形成生物信息反饋。所述的「生物信 息反饋"是一個自我呼喚系統，是指利用鼾聲或夢囈聲起動一個裝置，產生一種信號並回 饋給患者，達到心理暗示的過程。拍振器是由拍振頻率控制器，固定在殼內的中空線圈及中 空線圈內一段鐵磁體組成，由鼾聲控制起動，產生可調的振動。腦電波發生器是無穩態電路 與一個沒有屏蔽的電磁線圈組成，是由鼾聲控制的，可以產生近似人腦的電磁波。該中國專利第02125728. 0號所公開的裝置完全靠鼾聲控制起動，然而環境中可 能存在各種聲音，該裝置難以避免受環境噪音的幹擾，因此其工作可靠性較低。更重要的是，該中國專利第02125728. 0號所公開的裝置依靠拍振器產生的振動 對正在打鼾中的個體施加外部影響，其只能起到阻止打鼾的作用而不具有治療打鼾的效
^ ο因此，提供一種新型的基於生物反饋的監測治療裝置成為業界需要解決的問題。 發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種能夠利用生物反饋原理對打鼾或磨 牙進行有效治療的裝置。本實用新型的一種技術方案是這樣實現的提供一種基於生物反饋的監測治療裝 置，包括用於採集個體的生物信號的信號採集單元、與信號採集單元聯接用於接收信號採 集單元所獲得的生物信號並在分析生物信號後發出指令信號的信號處理單元、以及與信號 處理單元聯接用於根據信號處理單元發出的指令信號對個體施加反饋作用的反饋作用單 元，信號處理單元包括信號放大電路，反饋作用單元包括電刺激脈衝產生部和/或音頻產 生部。優選地，信號採集單元包括咀嚼肌的肌電信號採集部、喉部肌肉的振動信號採集 部、以及口鼻部的鼾聲信號採集部中的至少其中之一。其中，上述肌電信號採集部、上述喉部肌肉的振動信號採集部、以及上述口鼻部的 鼾聲信號採集部分別選用表面粘貼電極、電容式振動傳感器和駐極體電容器中的一種或多 種。特別地，上述信號放大電路包括肌電放大電路、聲音信號放大電路、以及振動信號 放大電路中的一種或多種。優選地，上述音頻產生部包括音樂播放器。可選地，上述電刺激脈衝產生部包括表面粘貼電極。並且，上述信號處理單元包括A/D轉換電路。另外，上述信號處理單元包括脈衝調製電路。[0018]可選擇地，上述反饋作用單元包括升壓電路。具體地，上述反饋作用單元包括脈衝產生電路。本實用新型的有益效果是(1)對於打鼾或者磨牙的患者而言，本實用新型基於 生物反饋的監測治療裝置有效避免了植入式止鼾或防磨牙裝置所造成的異物感，其利用表 面電極產生電刺激、刺激脈衝模擬按摩，對正常睡眠無影響，並且能有效改善患者的睡眠質 量；(2)本實用新型採用雙路信號採集，例如，在治療打鼾過程中同時採集聲音信號和喉部 的振動信號，加上鼾聲間隔分析和鼾聲出現頻率分析，能夠有效識別鼾聲，避免誤判，提高 鼾聲識別的精確性，避免了僅僅單獨採集聲音信號時可能由於外界噪音幹擾造成的誤差； (3)利用刺激對肌肉舒縮情況進行反饋訓練，對於打鼾患者，當鼾聲及喉部振動強度達到 一定幅度且周期大於一定時長時，微處理器啟動計數，超過設定閾值則產生刺激，使咽喉部 肌肉收縮力量增加，通過長期訓練，提高咽喉部肌肉的肌電水平，有效停止打鼾；(4)對於 磨牙症患者，表面刺激電極在咀嚼肌的肌電信號強度超過閾值且肌電信號周期持續大於預 設時間時開始作用，進行反饋訓練，降低咀嚼肌的肌電水平，從而實現有效的反饋治療；(5) 根據不同患者的特徵可以啟動不同的刺激模式，以滿足患者的個體需求，實現有針對性的 治療；(6)本實用新型還包含音樂治療方式，可緩解病人的緊張情緒和心身應激反應，實現 心理調整從而穩定患者情緒、減輕焦慮和抑鬱，有利於不良行為的糾正。
以下結合附圖和實施例，來進一步說明本實用新型，但本實用新型不局限於這些 實施例，任何在本實用新型基本精神上的改進或替代，仍屬於本實用新型權利要求書中所 要求保護的範圍。

圖1為本實用新型的基於生物反饋的監測治療裝置的電路原理框圖。圖2為本實用新型的基於生物反饋的監測治療裝置的肌電放大電路圖。圖3為本實用新型的基於生物反饋的監測治療裝置的聲音和振動放大電路圖。圖4為本實用新型的基於生物反饋的監測治療裝置的微處理器部分電路結構示 意圖。圖5為本實用新型的基於生物反饋的監測治療裝置的升壓和電刺激電路圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種基於生物反饋的檢測治療裝置，具體是一種利用生物反饋原 理進行止鼾和/或防止磨牙的裝置，該裝置首先採集微弱信號，然後進行放大、濾波處理， 所採集的信號分為三個通道1、咀嚼肌的肌電信號；2、喉部肌肉的振動信號；3、口鼻部的 鼾聲信號。咀嚼肌的肌電信號的放大和濾波處理通過圖1中所示的肌電信號放大、濾波電 路60實現；喉部肌肉的振動信號通過圖1中所示的振動信號拾取、放大、濾波電路80實現； 而口鼻部的鼾聲信號通過圖1中所示的聲音信號拾取、放大、濾波電路70實現。該裝置的 電路由表面粘貼電極、電容式振動傳感器和駐極體電容器及相關的放大電路、信號處理電 路組成；微處理器10接收信號進行A/D轉換並進行分析比較，產生生物反饋的電刺激脈衝 和/或開啟音樂治療。上述的電刺激脈衝和音樂隨著所採集信號的變化而變化，電刺激脈 衝和音樂控制信號相互獨立，可根據按鍵設置電路50的設置進行選擇。電刺激器採用表面電極，該裝置包含信號接收電路、脈衝調製電路、升壓電路30、脈衝產生電路。其中信號接收 電路包括微處理器10的信號接口與按鍵連接而成的按鍵設置電路50 ；脈衝調製電路包括 由微處理器10控制的刺激脈衝寬度調製電路和刺激脈衝幅度調製電路，從而能達到模擬 按摩的效果；升壓電路30採用電池供電，利用微處理器10的數字輸出對由電容、電感、肖特 基二極體和開關管所組成的模擬電路進行控制，微處理器10通過PWM來控制升壓的幅度。如圖1所示為本實用新型的電路原理框圖。電源電路20提供整個電路各個部分所 需的電壓，包括提供給單片機的3. 3V電壓，提供給信號放大電路的士3. 3V的雙路電源，提 供給MP3播放模塊的3. 3V電源，提供給刺激電路40的5V電源以及提供給液晶顯示器及其 電路90的5V電源。3. 3V和5V採用電壓調節晶片LMl 117系列，_3. 3V採用電壓反轉晶片 ICL7660通過3. 3V反轉得到。為了保證足夠的供電功率，採用三路電源，一路供給單片機、 信號處理的運算放大器和MP3播放模塊；一路供給升壓電路30，提供升壓，用於刺激脈衝； 一路用於液晶顯示。各晶片廠商已經提供了電源晶片控制電路的完整電路，在此不再贅述。 所採集的信號經微處理器10的A/D轉換後，監測到聲音或者磨牙信號，進行時間_頻率分 析和計數分析，當判斷打鼾或者磨牙發生時，刺激電路40產生生物反饋信號，利用刺激對 肌肉舒縮情況進行反饋訓練。具體運行過程如下，對於打鼾患者，當鼾聲及喉部振動強度達 到一定幅度且周期大於一定時長時，微處理器10啟動計數，超過設定閾值則產生刺激，使 咽喉部肌肉收縮力量增加，通過長期訓練，提高咽喉部肌肉的肌電水平，有效停止打鼾；對 於磨牙症患者，表面刺激電極在咀嚼肌的肌電信號強度超過閾值且肌電信號周期持續大於 預設時間時開始作用，進行反饋訓練，降低咀嚼肌的肌電水平，從而實現反饋治療。圖2為本實用新型的肌電放大電路圖。絕大多數生理信號處於低頻段，肌電信號 能量集中在2KHz以下，比較微弱，一般在毫伏級左右，並且各種生理信號往往混雜在一起。 利用肌電信號的上述特徵，設計如圖2所示的肌電電路。前置放大採用高輸入阻抗的儀表 放大器AD620，設置低通濾波電路，防止信號中高頻噪聲的幹擾，而低於4KHz的信號允許通 過；設置高通濾波電路，高於4Hz的信號允許通過。中間部分為工頻陷波器，抑制工頻幹擾。 信號經過三級放大後峰峰間最大幅度小於3V，送入單片機進行相關處理。圖3為本實用新型的聲音和振動信號放大電路圖。由駐極體電容和電容式振動傳 感器將聲音信號和振動信號轉換成微弱電信號，通過由R19與C13組成的高通濾波電路以 及由運算放大器LM324組成的兩級放大電路，由二極體Dl進行半波整流後送入微處理器10 進行處理。圖4為本實用新型的微處理器部分電路結構示意圖。其中包括單片機復位、A/D轉 換、串口通信、MP3控制、PWM產生、液晶顯示控制、刺激脈衝產生、按鍵設置等。A/D轉換由 埠 P6. 3，P6. 4，P6. 5接入；串口通訊由埠 P3. 4和P3. 5控制；埠 P5. 0-P5. 4控制液晶 顯示驅動器，液晶顯示驅動器採用NEC公司的UPD16682 ；埠 P2. 0-P2. 5控制MP3的播放 狀態，MP3可選用市場上成熟的模塊；埠 Pl. 0，Pl. 1產生刺激脈衝；埠 P4. 1產生PWM， 利用佔空比的不同，調節升壓電路30的輸出電壓；埠 P3. 0-P3.3接收按鍵的輸入，設置 不同個體的鼾聲特徵和不同的電刺激模式。MSP430F14X系列微處理器允許用戶使用標準 C語言進行程序編程，並提供了高效的C語言編譯環境，有助於本實用新型的各種識別算法 的設計。圖5為本實用新型的升壓、電刺激和按鍵電路圖。其中通過如下過程實現升壓通過微處理P4. 1埠輸出的PWM，控制開關管QC通斷，通過調節佔空比設定輸出電壓VSS和 輸入電壓VCCl的關係。假設開關管的周期為T，導通的時間為Ttl，截止的時間為T1,佔空比 為D(D = T0/T)。升壓電路30的工作原理為當開關管QC導通時，肖特基二極體DC反向偏 置而截止，輸入電壓VCCl加到儲能電感LD的兩端。當開關管QC截止時，儲能電感LD兩端 的電壓極性相反，肖特基二極體DC正向偏置而導通，儲存在儲能電感LD中的能量通過二極 管DC傳輸給濾波電容CD，此時儲能電感LD的電流減小，由於電感上電流的數量動態平衡， 可以得到如下關係式 將Ttl = Τ. D和*^ = 3』代入上式並化簡、整理可得 由於D始終小於1，故輸出電壓總是大於輸入電壓，從上式可知，調節佔空比可改 變輸出電壓的大小。通過如下過程實現脈衝刺激S1與S2分別接到微處理器10的埠 Pl. 0與Pl. 1， STIMl與STIM2分別連接粘貼於刺激部位的表面電極。當Sl為高電平，S2為低電平時，晶 體管Ql導通，電晶體Q5截止，從而電晶體Q3和Q6導通，而電晶體Q2和Q4截止；當S2為 高電平，Sl為低電平時，電晶體Q5導通，電晶體Ql截止，從而電晶體Q2和Q4導通，而晶體 管Q3和Q6截止，通過這種交替導通、截止模式實現電脈衝刺激。通過控制刺激的脈寬以及 刺激的頻率可以模擬出捶打、針刺等各種不同的按摩效果。通過如下過程實現按鍵設置電路50 通過按鈕來控制電路的通斷狀態，按下兩側 即形成短路，鬆開即形成開路。微處理器10通過判斷是否短路，從而獲知該按鍵是否被按 下。根據不同患者的鼾聲的不同特點，設置按鍵設置電路50，通過微處理器接口預先設置。 在採集之前，將患者個體的不同聲音頻譜以及幅度特徵儲存在微處理器10中，在使用中根 據不同的鼾聲特徵啟動不同的刺激模式，以實現適應個體特徵的生物反饋。本實用新型的有益效果是(1)對於打鼾或者磨牙的患者而言，本實用新型基於 生物反饋的監測治療裝置有效避免了植入式止鼾或防磨牙裝置所造成的異物感，其利用表 面電極產生電刺激、刺激脈衝模擬按摩，對正常睡眠無影響，並且能有效改善患者的睡眠質 量；(2)本實用新型採用雙路信號採集，例如，在治療打鼾過程中同時採集聲音信號和喉部 的振動信號，加上鼾聲間隔分析和鼾聲出現頻率分析，能夠有效識別鼾聲，避免誤判，提高 鼾聲識別的精確性，避免了僅僅單獨採集聲音信號時可能由於外界噪音幹擾造成的誤差； (3)利用刺激對肌肉舒縮情況進行反饋訓練，對於打鼾患者，當鼾聲及喉部振動強度達到 一定幅度且周期大於一定時長時，微處理器啟動計數，超過設定閾值則產生刺激，使咽喉部 肌肉收縮力量增加，通過長期訓練，提高咽喉部肌肉的肌電水平，有效停止打鼾；(4)對於 磨牙症患者，表面刺激電極在咀嚼肌的肌電信號強度超過閾值且肌電信號周期持續大於預 設時間時開始作用，進行反饋訓練，降低咀嚼肌的肌電水平，從而實現有效的反饋治療；(5) 根據不同患者的特徵可以啟動不同的刺激模式，以滿足患者的個體需求，實現有針對性的 治療；(6)本實用新型還包含音樂治療方式，可緩解病人的緊張情緒和心身應激反應，實現 心理調整從而穩定患者情緒、減輕焦慮和抑鬱，有利於不良行為的糾正。
權利要求一種基於生物反饋的監測治療裝置，包括用於採集個體的生物信號的信號採集單元、與所述信號採集單元聯接用於接收所述信號採集單元所獲得的生物信號並在分析生物信號後發出指令信號的信號處理單元、以及與所述信號處理單元聯接用於根據所述信號處理單元發出的指令信號對個體施加反饋作用的反饋作用單元，其特徵在於，所述信號處理單元包括信號放大電路，並且所述反饋作用單元包括電刺激脈衝產生部和/或音頻產生部。
2.如權利要求1所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述信號採集單 元包括咀嚼肌的肌電信號採集部、喉部肌肉的振動信號採集部、以及口鼻部的鼾聲信號採 集部中的至少其中之一。
3.如權利要求2所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述肌電信號採 集部、所述喉部肌肉的振動信號採集部、以及所述口鼻部的鼾聲信號採集部分別選用表面 粘貼電極、電容式振動傳感器和駐極體電容器中的一種或多種。
4.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述信號 放大電路包括肌電放大電路、聲音信號放大電路、以及振動信號放大電路中的一種或多種。
5.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述音頻 產生部包括音樂播放器。
6.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述電刺 激脈衝產生部包括表面粘貼電極。
7.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述信號 處理單元包括A/D轉換電路。
8.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述信號 處理單元包括脈衝調製電路。
9.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述反饋 作用單元包括升壓電路。
10.如權利要求1-3之一所述的基於生物反饋的監測治療裝置，其特徵在於，所述反饋 作用單元包括脈衝產生電路。
專利摘要本實用新型公開了一種基於生物反饋的監測治療裝置，包括用於採集個體的生物信號的信號採集單元、與所述信號採集單元聯接用於接收所述信號採集單元所獲得的生物信號並在分析生物信號後發出指令信號的信號處理單元、以及與所述信號處理單元聯接用於根據所述信號處理單元發出的指令信號對個體施加反饋作用的反饋作用單元，所述信號處理單元包括信號放大電路，並且所述反饋作用單元包括電刺激脈衝產生部和/或音頻產生部。本實用新型避免了植入式止鼾或防磨牙裝置所造成的異物感，對正常睡眠無影響，可有效改善患者的睡眠質量，且識別精度高，治療效果明顯。
文檔編號A61F5/56GK201642503SQ201020130739
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者張正剛, 梁妃學, 肖中舉, 鄧親愷, 郭勁松 申請人:南方醫科大學