基于DSP的神奇人腦心智鍛煉機(jī)
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(lèi)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“LIGHT&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。“LIGHT&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MotorolaDSP 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)。
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,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(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 (EEG)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(lèi)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為θ狀態(tài) ;深度睡眠時(shí) ,腦電波在 0 . 5— 4 赫茲波段 ,稱(chēng)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?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 .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(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α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。α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"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(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)。可見(jiàn) ,α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(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)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(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 θ波 。θ波狀態(tài)被稱(chēng)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 θ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)?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(chēng):,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(chēng)。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(lèi)患兒有學(xué)習(xí)困難;30%到90%的此類(lèi)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(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)---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?xún)?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?kù)?theta;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(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(lèi)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)。
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(lèi)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?xún)r(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(kāi)啟形成閉環(huán)系統(tǒng),以增強(qiáng)鍛煉的效果。
[!--empirenews.page--]
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(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TIMER 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)1—30Hz 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,R=1.5。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(chēng)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1.0dB, 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(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。
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(guò)用戶(hù)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(hù)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(hù)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(hào)以聲光形式對(duì)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
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(cè)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(zhǎng)的音頻信號(hào)。從生物反饋技術(shù)來(lái)看,是把人腦不能感知的生理信號(hào)通過(guò)電子儀器提取、轉(zhuǎn)化為聲、光信號(hào)反饋給使用者,通過(guò)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(shí)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(hào)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(cè)者通過(guò)反饋信息不自覺(jué)地接近目標(biāo)。
軟件描述
程序初始化