基于DSP的神奇人腦心智鍛煉機

生理學(xué)家通過(guò)實(shí)驗證明，在有刺激的環(huán)境中成長(cháng)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，我們在現有的腦電采集系統基礎上，將要利用MOTOROLA 先進(jìn)的DSP 技術(shù)，設計實(shí)現一個(gè)佩帶嵌入式多功能心智娛樂(lè )系統，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)一步設法調節、改變、對付、突破自身的心理障礙，使身、心和諧，數據表明，該類(lèi)設備可以用于提高學(xué)習能力、改善睡眠、放松精神、治療精神疾病等領(lǐng)域，在國外已有深入研究及應用，但在國內還是鮮有所聞，本設計為電池供電，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)前景相當可觀(guān)。

低成本便攜式2 通道--腦電生物反饋鍛煉系統，它基于兩種主要的技術(shù)：“EEG”與“LIGHTSOUND” 。“EEG”實(shí)時(shí)監控腦波，依照預設的方法來(lái)處理EEG 信號，并且激勵或抑制某種腦波模式。這些方法提供給使用者聲音鼓勵以便其大腦利用本身的學(xué)習機制，識別期望的行為和尋找重復這行為的辦法。“LIGHTSOUND” 利用腦電波會(huì )對光刺激作出相依性反應，以及特殊的聲音組合 (如雙耳節拍 )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 ,能調節腦電波進(jìn)入預期的頻率。本系統從人的頭皮引出自發(fā)腦電信號，經(jīng)過(guò)放大濾波后，轉換成數字信號，再通過(guò)強大的MotorolaDSP 數字信號處理技術(shù)，對其進(jìn)行多路數字濾波、頻譜分析、數據壓縮及聲音合成，以聲、光、圖的動(dòng)態(tài)形式實(shí)時(shí)地反饋給練習者，不但能夠準確量化入靜狀態(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；對于一些慢性病、精神失調等有一定療效。目前已完成2 通道實(shí)驗室樣機，并進(jìn)行了初步測試，性能指標達到國外先進(jìn)機型水平。本文詳述了該系統的組成、工作原理及軟硬件設計。

一. 背景

1.1 腦電波的由來(lái)

早在1875 年 ,英國生理學(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)現的臨床意義直到 50 年后才被認識到。 1929 年德國精神病學(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)處成功地檢測出了活動(dòng)電流 ,并把它同心電圖一樣用圖表的形式表現出來(lái) ,這就是現今神經(jīng)病學(xué)中廣泛應用的一項技術(shù)———腦電圖 (ＥＥＧ)的發(fā)端。

貝格爾將電極置于顱表 ,檢測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

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。當處于不同的清醒狀態(tài)時(shí)，人便會(huì )出現標志不同精神狀態(tài)的生理反應。腦電圖不僅顯示腦電波的性狀 ,而且顯示它們怎樣變化--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 ,我們可以根據腦電圖的顯示來(lái)調整自己的清醒程度 ,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 ,當人們處于放松狀態(tài)時(shí)出現。我們通過(guò)學(xué)習獲取的大多數主要信息將被存儲進(jìn)潛意識之中。許多研究人員發(fā)現 ,人們可以通過(guò)潛意識很好地獲取大量信息。而α波正是最適于大腦潛意識活動(dòng)的狀態(tài)。英國快速學(xué)習革新家科林·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、增強記憶。α波讓你進(jìn)人潛意識 ,而且由于你的自我意象主要在你的潛意識之中 ,因而它是進(jìn)人潛意識唯一有效的途徑。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)。而中度清醒的標志就是腦電波處于α波狀態(tài)。心理學(xué)家早已發(fā)現 ,當我們處于中度清醒狀態(tài)時(shí) ,最能有效地完成任務(wù)。這是因為 ,當腦電波處于α波狀態(tài)時(shí) ,一種叫內啡肽的腦內麻醉劑被分泌出來(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)生某種欲望或堅強意志的介質(zhì)?？梢?jiàn) ,α波狀態(tài) (放松性警覺(jué)狀態(tài) )是一種最佳的學(xué)習和工作狀態(tài)。

3.如何達到最佳學(xué)習狀態(tài)

當我們使自己適度放松時(shí) ,腦電波便會(huì )自動(dòng)地達到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(guān)上要有意識地放松 ,而且要有一定的客觀(guān)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。美國蓋洛普民意調查表明 ,95%的美國成年人曾有過(guò)失眠.針對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。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)出現平穩的 α波 ,缺乏α波是緊張、焦慮、大腦受損和疾病的標志。當平靜放松并開(kāi)始困倦時(shí) ,腦電波活動(dòng)會(huì )更加緩慢 ,此時(shí)出現更有節奏的 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（MBD）、注意缺陷障礙（ADD）或注意缺陷多動(dòng)障礙（ADHD）。早在1854 年，德國醫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 )議決定統一采用腦功能輕微失調。在我國，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?；蚧菊５膬和?，存在著(zhù)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)習困難、社會(huì )適應能力差等結果。據估計，約25%到40%的此類(lèi)患兒有學(xué)習困難；30%到90%的此類(lèi)兒童同時(shí)伴有情緒障礙。在我國，患兒童多動(dòng)癥的兒童占全體兒童的8%以上。

美國食物、藥物管理局（US FDA）已通過(guò)批準使用EEG 生物反饋儀器治療ADHD ADD 等精神疾病。在臨床醫學(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 (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(guān)心理調節參與 ,這對精神病患者和兒童就不適用。正弦調制系統為新型的生物反饋提供了理論依據 ,如果從患者自身的腦電信息來(lái)控制正弦光的頻率而構成閉環(huán)正反饋系統 ,或者根據需要調整腦波頻段直接用相應頻率的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---入靜. 幾十年來(lái)，學(xué)者們利用現代科技手段對氣功入靜對大腦機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)驗分析，發(fā)現入靜會(huì )使大腦皮層進(jìn)入特有的主動(dòng)性?xún)纫种七^(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，數倍於α波，其次是頻率特別穩定及與α波同步。在生理上，處於θ波狀態(tài)之下，體力及精神回復得最快。在心理上，是最能消除日間所受的精神壓力。對于腦電研究還表明，入靜時(shí)，大腦皮層活動(dòng)是逐漸由興奮狀態(tài)轉入到抑制狀態(tài)，這對大腦皮層有保護作用。同時(shí)，這種較強的抑制過(guò)程，有利于大腦皮層發(fā)揮機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的機能紊亂得到康復。

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節系統時(shí)，會(huì )對大腦產(chǎn)生多種有益的作用效果，持續時(shí)間長(cháng)，且無(wú)藥物的不良影響。這種“大腦體操”對人腦的作用完全類(lèi)似于廣播體操對身體的鍛煉。本項目的目標是實(shí)現“大腦體操”所需軟、硬件的樣機。

二. 系統組成

如圖所示，系統外圍包括：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，數模轉換器，多路模數轉換器，多路時(shí)鐘，紅外線(xiàn)數據傳輸器，圖型液顯示器，按鍵等。

人腦心智鍛煉系統結構框圖

本設計應用MOTOROLA DSP56F805 為主芯片，同時(shí)處理兩通道模數轉換，8 段數字濾波、各種應用算法，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，由于消費類(lèi)電子產(chǎn)品對成本極為敏感，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責提取微弱的腦電信號，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 轉換，在DSP 芯片內被實(shí)時(shí)地計算分離出θ波（4-7HZ），α波（8-12HZ），β波（13-30HZ），再分別計算出它們的功率值。然后根據菜單選中的訓練頻段的功率值輸出按比例變化的音調，音調的變化由TIMER 變頻控制。

b) 在聲光模式時(shí)，以上功能模塊不工作，DSP 計算產(chǎn)生兩路正弦波數據后經(jīng)DAC 變換為正弦波分別輸出耳機左、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，以增強鍛煉的效果。