基于DSP的神奇人脑心智锻炼机

生理学家通过实验证明，在有刺激的环境中成长的老鼠，比那些没有受到刺激的要聪明伶俐得多，同样，人的大脑也总需要乐趣的刺激，今天，我们在现有的脑电采集系统基础上，将要利用MOTOROLA 先进的DSP 技术，设计实现一个佩带嵌入式多功能心智娱乐系统，通过该仪器，您可以和自己的心理互动，‘看到’‘听到’自己的心理状态，从而进一步设法调节、改变、对付、突破自身的心理障碍，使身、心和谐，数据表明，该类设备可以用于提高学习能力、改善睡眠、放松精神、治疗精神疾病等领域，在国外已有深入研究及应用，但在国内还是鲜有所闻，本设计为电池供电，口袋佩带随身听式、低成本、高技术含量、适合各种年龄层次人士使用的娱乐、保健用品，我们有理由相信，市场前景相当可观。
       低成本便携式2 通道--脑电生物反馈锻炼系统，它基于两种主要的技术：“EEG”与“LIGHT&SOUND” 。“EEG”实时监控脑波，依照预设的方法来处理EEG 信号，并且激励或抑制某种脑波模式。这些方法提供给使用者声音鼓励以便其大脑利用本身的学习机制，识别期望的行为和寻找重复这行为的办法。“LIGHT&SOUND” 利用脑电波会对光刺激作出相依性反应，以及特殊的声音组合 (如双耳节拍 )能改变脑电波活动。通过选择合适频率的光与声音信号 ,能调节脑电波进入预期的频率。本系统从人的头皮引出自发脑电信号，经过放大滤波后，转换成数字信号，再通过强大的MotorolaDSP 数字信号处理技术，对其进行多路数字滤波、频谱分析、数据压缩及声音合成，以声、光、图的动态形式实时地反馈给练习者，不但能够准确量化入静状态，而且更易自发地控制大脑及自身状态，促进身心协调；对于一些慢性病、精神失调等有一定疗效。目前已完成2 通道实验室样机，并进行了初步测试，性能指标达到国外先进机型水平。本文详述了该系统的组成、工作原理及软硬件设计。
   一. 背景
   1.1 脑电波的由来
      早在1875 年 ,英国生理学家理查德·卡顿(RichardCaton)就从兔脑和猴脑中记录到微弱的电流。但这一发现的临床意义直到 50 年后才被认识到。 1929 年德国精神病学家汉斯·贝格尔(HansBergar,1873--1941)首先作了尝试 ,记录了人脑的电流。贝格尔在做脑手术时 ,从颅骨缺损患者的大脑皮质处成功地检测出了活动电流 ,并把它同心电图一样用图表的形式表现出来 ,这就是现今神经病学中广泛应用的一项技术---脑电图 (ＥＥＧ)的发端。
       贝格尔将电极置于颅表 ,检测到人在不同清醒状态时的 4 种不同类型的脑电波。当我们处于高度清醒状态(高度兴奋和紧张状态 )时 ,大脑在 1 3- 2 5 赫兹的波段上工作 ,称为 β波状态 ;当我们松弛而清醒(中度清醒 )时 ,大脑在 8- 1 3 赫兹波段上工作 ,称为α波状态 ;睡眠的初期阶段 ,大脑在 4- 8 赫兹波段上处理白天的信息 ,称为θ状态 ;深度睡眠时 ,脑电波在 0 . 5- 4 赫兹波段 ,称为δ波状态。如图1 示
   
   
   1.2 脑电波与学习
   1 .脑电波与精神状态
   脑电波可以被看作是反映人的精神状态的晴雨表。当处于不同的清醒状态时，人便会出现标志不同精神状态的生理反应。脑电图不仅显示脑电波的性状 ,而且显示它们怎样变化--其模式实际上可随不同的清醒状态改变。这便使清醒状态具有了可操作性。因此 ,我们可以根据脑电图的显示来调整自己的清醒程度 ,采用行之有效的方法来减轻精神压力 ,保持良好的精神状态。
   2 .α波--最佳学习状态
   α波主要是由脑的枕部发出的脑电波 ,与 β波不同 ,α波是一种比较缓慢的脑电波 ,当人们处于放松状态时出现。我们通过学习获取的大多数主要信息将被存储进潜意识之中。许多研究人员发现 ,人们可以通过潜意识很好地获取大量信息。而α波正是最适于大脑潜意识活动的状态。英国快速学习革新家科林·罗斯说 :"这种脑电波以放松和沉思为特征 ,是你在其中幻想、施展想象力的大脑状态。它是一种放松性警觉状态 ,能促进灵感、加快资料收集、增强记忆。α波让你进人潜意识 ,而且由于你的自我意象主要在你的潜意识之中 ,因而它是进人潜意识唯一有效的途径。"所谓"放松性警觉状态" ,并不是指注意力涣散甚至准备去睡觉 ,而是在保持适度的感知觉及思维的灵敏度下的一种精神放松状态 ,亦即中度清醒状态。而"中度清醒"的标志就是脑电波处于α波状态。心理学家早已发现 ,当我们处于中度清醒状态时 ,最能有效地完成任务。这是因为 ,当脑电波处于α波状态时 ,一种叫内啡肽的脑内麻醉剂被分泌出来 ,这种物质会大幅度提高多巴胺的功能 ,而多巴胺又是一种可以使人产生某种欲望或坚强意志的介质。可见 ,α波状态 (放松性警觉状态 )是一种最佳的学习和工作状态。
   
   3.如何达到最佳学习状态
   当我们使自己适度放松时 ,脑电波便会自动地达到α波状态 ,这看似不难 ,在具体实行时却并非易事。这不但需要我们主观上要有意识地放松 ,而且要有一定的客观条件。
   
   1.3 脑电波与失眠
   失眠 (insomnia)是以难以入睡和维持睡眠困难为特征 ,并影响睡眠质量的一种最常见的睡眠障碍。美国盖洛普民意调查表明 ,95%的美国成年人曾有过失眠.针对失眠采取的众多治疗方案中 ,仪器治疗是其中较为新颖 ,前景广阔的一种。
   
   脑电图研究发现β波是脑电波中频率最高的一种 ,在正常的兴奋状态占主导。合上双眼进入放松状态时 ,脑电波活动明显减慢 ,此时出现平稳的 α波 ,缺乏α波是紧张、焦虑、大脑受损和疾病的标志。当平静放松并开始困倦时 ,脑电波活动会更加缓慢 ,此时出现更有节奏的 θ波 。θ波状态被称为过滤状态 ,处于清醒与睡眠之间 ,大部分人一旦产生大量的 θ波就立即开始进入睡眠状态。熟睡后 ,主要的脑电波变为 δ波 ,一种比 θ波还慢的脑电波 。
   1.4 脑电波与疾病
   儿童多动症（儿童多动综合征）有三个名称：，脑功能轻微失调（MBD）、注意缺陷障碍（ADD）或注意缺陷多动障碍（ADHD）。早在1854 年，德国医生霍夫曼首次把儿童活动过多作为一种病态进行了描述。1962 年牛津会议决定统一采用"脑功能轻微失调"。在我国，最为人熟知的是"儿童多动症"这一名称。它指的是智力正常或基本正常的儿童，存在着与实际年龄不相符合的注意困难、活动过度、易冲动等特点，因而造成学习困难、社会适应能力差等结果。据估计，约25%到40%的此类患儿有学习困难；30%到90%的此类儿童同时伴有情绪障碍。在我国，患儿童多动症的儿童占全体儿童的8%以上。
   美国食物、药物管理局（US FDA）已通过批准使用EEG 生物反馈仪器治疗ADHD ADD 等精神疾病。在临床医学上生物反馈技术已成为治疗的重要方法 ,以往的脑电生物反馈系统 (治疗失眠症、精神紧张、儿童多动症、焦虑症 )都需要心理活动的介入 ,即需要病人的主观心理调节参与 ,这对精神病患者和儿童就不适用。正弦调制系统为新型的生物反馈提供了理论依据 ,如果从患者自身的脑电信息来控制正弦光的频率而构成闭环正反馈系统 ,或者根据需要调整脑波频段直接用相应频率的ＳＭＬ进行刺激使其增加 ,这样就有可能使生物反馈技术提高到一个新的高度和水平。
   1.5 脑电波与气功
   西方的'入静'(MEDETATION)，中国的'气功'，印度的'瑜珈'，到日本的'禅宗'等，都是使人的大脑进入某种入静意识---入静. 几十年来，学者们利用现代科技手段对气功入静对大脑机能的影响做了初步研究。通过脑电图和中枢神经介质生化成分实验分析，发现入静会使大脑皮层进入特有的主动性内抑制过程。这是一定程度的良性抑制，是一种高度有序化的激活状态。
   大脑通常在深度休息的时候，既在睡眠期中的第三或第四阶段或静坐入静，才会产生θ波。它的特点是波幅（Amplitude）特别高，数倍於α波，其次是频率特别稳定及与α波同步。在生理上，处於θ波状态之下，体力及精神回复得最快。在心理上，是最能消除日间所受的精神压力。对于脑电研究还表明，入静时，大脑皮层活动是逐渐由兴奋状态转入到抑制状态，这对大脑皮层有保护作用。同时，这种较强的抑制过程，有利于大脑皮层发挥机能以维持人体生理的动态平衡，并使大脑皮层由于紧张兴奋而出现的机能紊乱得到康复。
   1.6 人脑体操与锻炼仪器
   到目前为止，已经有足够多的生理心理学和神经学研究结果证明：声光刺激和脑电神经反馈锻炼作用于人脑的自我调节系统时，会对大脑产生多种有益的作用效果，持续时间长，且无药物的不良影响。这种“大脑体操”对人脑的作用完全类似于广播体操对身体的锻炼。本项目的目标是实现“大脑体操”所需软、硬件的样机。
   
   二. 系统组成
   如图所示，系统外围包括：电极，脑电放大器，低通开关电容滤波器，光电眼镜，立体声耳机，数模转换器，多路模数转换器，多路时钟，红外线数据传输器，图型液显示器，按键等。
   
人脑心智锻炼系统结构框图

   
   本设计应用MOTOROLA DSP56F805 为主芯片，同时处理两通道模数转换，8 段数字滤波、各种应用算法，包括左右脑电频谱图及压缩、回放MP3 音效片段，和多路时钟源产生调频正弦波、片外低通滤波器时钟源、串行通讯接口及多条GPIO，由于消费类电子产品对成本极为敏感，考虑到MOTOROLA FLASH56800 系列DSP具有丰富的外围接口，高效的算法指令，友好的编程界面，极好的性价比，故采用DSP56F805.
   
   
   三. 人机界面
   
   左键：翻阅。右键：选择。
   主菜单：EEG模式。
   声光模式。
   闭环牵引模式。
   
   a) 在EEG 模式时，每通道的脑电放大器负责提取微弱的脑电信号，频带为1－30Hz。包括约20K 的增益，去除直流电进行平，抑制50HZ 交流干扰，窄带低通滤波后进行A/D 转换，在DSP 芯片内被实时地计算分离出θ波（4-7HZ），α波（8-12HZ），β波（13-30HZ），再分别计算出它们的功率值。然后根据菜单选中的训练频段的功率值输出按比例变化的音调，音调的变化由TIMER 变频控制。
   
   b) 在声光模式时，以上功能模块不工作，DSP 计算产生两路正弦波数据后经DAC 变换为正弦波分别输出耳机左、右声道，左、右声道频率之差从0 到30Hz，取决于锻炼的目的，比如：FL- FR = 5Hz 时为催眠。
   
   c) 在闭环牵引模式时，以上两部分功能全部开启形成闭环系统，以增强锻炼的效果。
   
   
   
   
   
   四. 硬件描述：
   
   a) 头皮电极用镀银电极，使用前用盐水浸泡。
   
   电极放置方法：按国际10-20 系统标准，两个参考电极分别放置在左、右耳垂处，两信号电极分别放置在O1、O2 位置，DRL 电极可以接在人体任何位置。
   
   b) 脑电放大器：采用现代高阻仪表放大器做输入的，总增益约20KV/V，另加屏蔽驱动电路和右脚驱动电路抑制50Hz 干扰，通频带1-30Hz。
   
   c) A/D 之前的抗混叠滤波器采用8 阶椭圆低通开关电容滤波器，截止频率由时钟频率控制，DSP 中的内置两通道、八路12 位分辨率ADC,可配置成两通道两路同时采样，最高采样率达1.66Msps，ADC内部最大时钟频率5MHz,8.5 个时钟频率即可完成单次转换，具备与DSP 内部TIMER 模块、PWM 模块及外部信号同步触发功能，本系统就是利用TIMER 模块的TC2、TC3 定时中断并触发ADC，对1-30Hz 的脑电信号进行采样，采样频率为250Hz TIMER 提供精确50%占空比3.5K 时钟，R＝1.5。两路EEG 信号从AN0、AN4 输入。
   
   d) MotorolaDSP56805 内部有16 个定时/计数器，可对内/外部事件计数，及对外部输入信号进行计时等基本功能，其中包括定频/变频脉冲输出，由于脑电信号经EEG 放大器放大后，须进行带限处理，利用TIMER 模块的TC0、TC1 提供8 阶椭圆低通开关电容滤波器3.5KHz 的工作时钟，截止频率由时钟频率控制。Timer D 模块分别输出变频方波，调节声、光节率。
   
   e) 128*64 像素的LCD 显示器负责显示功能菜单和EEG 频谱对称性图，LCD 通过DSP 外部存储器跟DSP连接，另加4 条GPIO 控制脚。
   
   f) 键盘只有两个按键，按左键滚动菜单项，右键选择项，分别接IRQA 和IRQB 外部中断。
   
   g) 805 片内串行通讯接口(SPI)可方便地将各种DSP 产生的音效算法输出到外部DAC。
   
   h) 利用片内串行通讯接口(SCI)通过红外数据接口设备(IRDA)与家用PC 通信，安全方便。
   
   
   
   
系统原理图

   
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   五. 软件描述
   
   a) 由于要求从原始脑电信号中提取出7 个频段的信号功率，无相位要求，故采用以下指标的7 个IIR数字带通滤波器。
   
   0.8 – 2.9 Hz, 通带波纹1.0dB, 阻带衰减 46dB。
   3.2 – 5.0 Hz, 通带波纹1.0dB, 阻带衰减48dB
   5.3 – 7.8 Hz, 通带波纹1.0dB, 阻带衰减48dB
   8.2 – 10.8 Hz, 通带波纹1.0dB, 阻带衰减48dB
   11.3 – 14.8 Hz, 通带波纹0.5dB, 阻带衰减48dB
   15.3 – 18.0 Hz, 通带波纹0.5dB, 阻带衰减50dB
   24.5 – 34.0 Hz, 通带波纹0.1dB, 阻带衰减44dB (53dB @ 50Hz)
   
   b) 每通道128 点FFT 计算，并在LCD 上显示左右脑半球的EEG 频谱对比图(即脑频谱镜),重叠比4:1,即每0.25 秒计算更新一次。
   
   c) 在脑波反馈模式中(EEG)，电子仪器通过头皮电极实时地拾取出脑波信号，并通过特殊的音效反馈给入静者，使其通过自身的心理调整，更加接近目标状态。每通道独立进行α、β、θ三频段数字带通滤波，滤波输出后进行相应的频段幅度比计算，再根据相应的比值控制可变频方波发生器输出，驱动音频。
   
   
   
软件描述

   
   d) 在声光模式时，通过用户设定，仪器根据特定的生理节律，以音效、闪光的形式产生诱导刺激。通过一个8 段序列发生器，产生一个纯正弦波和背景粉红噪音，调制声、光输出。声音基调、振动频率、左右耳声音强度、粉红背景音强度、声音段长度和时间段长度等都可由用户自定义调节。每个预设值均有一个独立的用户可编程音调，而且增加了9 个预置节拍频率值。本功能正是采用正弦调制信号以声光形式对主体的脑电进行诱导，使之产生‘脑皮层共振’现象。
   
   
   
软件描述

   
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   e) 在闭环牵引模式时，脑波反馈模式与声光诱导模式，同时作用于受试者，使声光诱导可根据脑波的状态自动调节，大大缓和脑波状态，自我调节更有效。是一种频率牵引效应，使受测者在知道自己状态的同时，被引导仍向目标频率的脑波状态靠近，且知道靠近了多少。反馈短促且间隔较长的音频信号。从生物反馈技术来看，是把人脑不能感知的生理信号通过电子仪器提取、转化为声、光信号反馈给使用者，通过自身的心理调整，改变自身的生理状态，其中，心理调整是依靠使用者心理有意识地、甚至强烈的愿望，然而，一些人，如儿童、小儿多动症患者，精神涣散症、精神、注意力难以集中、情绪易波动者等都需要借助有效机制的引导。以当前的脑波信号根据所设目标频率，使调制光及声响依照接近目标的距离进行诱导，令受测者通过反馈信息不自觉地接近目标。
   
   
   
软件描述

   
   
   
程序初始化