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(多图) 基于DSP的神奇人脑心智锻炼机

詹彤?? 詹锐?? 吴坚?? 杨震伦?? 常鸿森?? 周卫星?? 2012年05月11日 ?? 收藏1
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

基于DSP的神奇人脑心智锻炼机

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。

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脑电生物反馈? EEG? DSP56F805?

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