智能失眠治疗仪.pdf

本发明涉及一种治疗失眠的仪器。目的是提出的治疗仪应能诱导、调节患者的睡眠中枢的电位活动，从而加快患者入睡速度，提高睡眠质量或实现定时自然唤醒的功能。技术方案是：智能失眠治疗仪，包括产生时变磁场的信号输出模块；该装置还包括采集患者实时脑电波的双电极脑电采集模块以及对获得的脑电波进行降频或升频处理的主控制器，信号输出模块将主控制器输出的数字脑电信号转换为模拟信号，再经放大后驱动磁场发生器产生用于治疗的时变磁场。

1、  智能失眠治疗仪，包括产生时变磁场的信号输出模块，其特征在于；该装置还包括采集患者实时脑电波的双电极脑电采集模块以及对采集获得的脑电波进行降频或升频处理的主控制器，所述的信号输出模块将主控制器输出的数字脑电信号转换为模拟信号，再经放大后驱动磁场发生器产生所述的时变磁场。

2、  根据权利要求1所述的智能失眠治疗仪，其特征在于所述的双电极脑电采集模块中，患者实时脑电波由贴于其额头两侧的电极采集输入至前置放大电路，并依次经过光电隔离电路、高通滤波电路、低通滤波电路、50Hz工频陷波电路、主放大和电平抬升电路后，输入模数转换器中转化为数字信号，然后由数字信号处理器提取脑电波的主频率及波形，并通过串口传送至主控制器中。

3、  根据权利要求1所述的智能失眠治疗仪，其特征在于所述的主控制器对收到的脑电信号送入存储器存储；并对脑电信号进行降频或升频处理，然后通过信号输出模块输出用于治疗的时变磁场。

4、  根据权利要求2或3所述的智能失眠治疗仪，其特征在于所述的主控制器还配置有包括按键操作及液晶显示在内的人机界面。

5、  根据权利要求4所述的智能失眠治疗仪，其特征在于所述的信号输出模块包括依次电信号连接的数模转换器、放大电路，输出驱动电路和磁场发生器。

智能失眠治疗仪
技术领域
本发明涉及一种医疗设备，尤其是治疗失眠的仪器。
背景技术
据世界卫生组织调查，27％的人有睡眠问题。中国睡眠研究会公布的最新睡眠调查结果，中国成年人失眠发生率为38.2％，高于一些发达国家的失眠发生率。而根据2006年中国6城市(北京、上海、广州、南京、天津、杭州)调查报告，普通成年人在一年内有过失眠的比例高达57％，其中53％症状超过一年。
失眠：通常指患者对睡眠时间和或质量不满足并影响白天社会功能的一种主观体验。按临床表现分类：①睡眠潜入期：入睡时间超过30分钟；②睡眠维持：夜间觉醒次数超过2次或凌晨早醒；③睡眠质量：多恶梦；④总的睡眠时间少于6小时；⑤日间残留效应：次晨感到头昏，精神不振，嗜睡，乏力等。按病程分类：一过性或急性失眠，病程小于4周；短期或亚急性失眠，病程大于4周小于3～6个月；长期或慢性失眠，病程大于6个月。按严重程度分类：轻度。偶发，对生活质量影响小；中度，每晚发生，中度影响生活质量，伴一定症状(易怒、焦虑、疲乏等)；重度，每晚发生，严重影响生活质量，临床症状表现突出。
医学研究表明，偶尔失眠会造成第二天疲倦和动作不协调，长期失眠则会带来注意力不集中、记忆出现障碍和工作力不从心等后果。此外，失眠与躯体疾病关系密切，睡眠不足会使人免疫力下降，抗病和康复疾病的能力降低，容易感冒，并加重其他疾病或诱发原有疾病的发作，如心血管、脑血管、高血压等疾病。实践还证明，手术后的病人如睡眠不好，伤口愈合的时间会明显延长。儿童如患有严重睡眠不足，会影响其身体发育。另外，没有健康的睡眠还会产生不少社会问题。
相关研究表明，正常的睡眠一般都包括从清醒到入睡，从浅睡到深睡的过程。在此过程，脑电波呈现出明显的规律性。这种规律性总结起来，就是：清醒兴奋状态下，脑电波以低幅的β波为主，频率在14-30Hz；清醒安静时，脑电波以α波为主，频率8-13Hz，幅度稍高；刚入睡时，进入睡眠I期，脑电波中α波逐渐消失，出现θ波并逐渐变为以θ波为主，其频率范围为4-7Hz；当睡眠逐渐加深，进入睡眠II期，脑电图在以θ波为主的背景下反复出现睡眠纺锤波，其持续时间为0.5秒，间隔为2-5秒，载波频率为12-14Hz。随着睡眠的进一步加深，进入睡眠III期和IV期，脑电波频率明显变慢，波幅增高，0.5-3Hz的δ波比例增大。I、II期睡眠属于浅度睡眠，III，IV期属于深度睡眠。整个睡眠过程中，III，IV期睡眠最为重要，其所占比例越大，时间越长，睡眠质量就越好，深度睡眠时大脑可以得到充分休息，恢复疲劳的效果最好。
当出现睡眠障碍时，睡眠过程的某一阶段甚至整个睡眠过程的脑电活动将出现异常。睡眠障碍的第一种表现是难以入睡(即失眠症)，患者从清醒到入睡这一阶段的时间漫长，此时脑电波频率逐渐变低的趋势缓慢而且不明显，并伴随出现不稳定的频率跳变。睡眠障碍的第二种表现为睡眠质量不佳，易醒多梦，患者感觉似睡非睡，似醒非醒，头昏脑胀，精神恍惚。此时的脑电信号多在θ波频段，以浅度睡眠I、II期为主，深度睡眠III，W期所占的比例很小。
现在市场上的磁场促眠仪多以频率接近脑电波的某种波形，或事先保存在存储器中的脑电波产生相应波形的时变磁场，是假定给定的磁场能对患者的脑电波产生既定的影响，即能按理想的促眠步骤实现促眠。这样忽略了不同患者的差异性，也同时忽略了患者不同时间对磁场的响应不同，往往不能达到理想的治疗效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的缺陷，提出了一种智能失眠治疗仪，该治疗仪应能诱导、调节患者的睡眠中枢的电位活动，从而加快患者入睡速度，提高睡眠质量或实现定时自然唤醒的功能。
本发明提出的技术方案是：
智能失眠治疗仪，包括产生时变磁场的信号输出模块，其特征在于；该装置还包括采集患者实时脑电波的双电极脑电采集模块以及对采集获得的脑电波进行降频或升频处理的主控制器，所述的信号输出模块将主控制器输出的数字脑电信号转换为模拟信号，再经放大后驱动磁场发生器产生所述的时变磁场。
所述的双电极脑电采集模块中，患者实时脑电波通过贴于其额头两侧的电极输入至前置放大电路，并依次经过光电隔离电路、高通滤波电路、低通滤波电路、50Hz工频陷波电路、主放大和电平抬升电路后，输入模数转换器中转化为数字信号，然后由数字信号处理器提取脑电波的主频率及波形，并通过串口传送至主控制器中。
所述的主控制器对收到的脑电信号送入存储器存储；并对脑电信号进行降频或升频处理，然后通过信号输出模块输出用于治疗的时变磁场。
所述的主控制器还配置有包括按键操作及液晶显示在内的人机界面。
所述的信号输出模块包括依次电信号连接的数模转换器、放大电路，输出驱动电路和磁场发生器。
本发明的工作原理是：患者在常规的睡眠时间段(如晚上睡眠时间)来临时，先将两个电极分别贴合在患者额头两侧(电极贴合方式与心电图检查时完全一致)，而后启动治疗仪即可。治疗仪工作时，双电极脑电采集系统采集患者的实时脑电波，提取当前脑电波的主频率及其波形，由主控制器经过处理(睡眠时作降频处理；或升频)后输出到信号输出模块；信号输出模块将主控制器处理过的数字脑电信号转换为模拟信号，放大后驱动磁场发生器产生响应的磁场变化，产生相应的时变磁场；由于磁场发生器安装在患者的枕头中，因此该磁场就藕合(以非接触的方式)到睡眠障碍患者的大脑睡眠中枢，使患者很快进入睡眠状态。而在经过一段时间的睡眠休息后，主控制器按照设定将采集的实时脑电波进行升频处理后再通过信号输出模块产生相应的时变磁场，就能够及时唤醒患者。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：由于本发明加入了双电极脑电采集模块，实时采集患者的脑电波形，并已此波形为基础处理后作为治疗波形，然后驱动磁场发生器产生时变磁场输出。因而能够充分考虑不同患者的差异及不同时间对磁场响应的差异，能“对症下药”，达到最佳治疗效果。本发明对各种失眠患者均有疗效，如入睡困难、多梦、易醒、睡眠质量不高等失眠患者。临床试验表明：经过一段时间(7-15天)的治疗，本发明对改善睡眠障碍患者睡眠质量的总有效率达96％以上。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明中的双电极脑电采集模块框图。
图3为本发明中的双电极脑电采集模块的前置放大电路电路图。
图4为本发明中的双电极脑电采集模块的光电隔离电路电路图。
图5为本发明中的双电极脑电采集模块的高通及低通滤波电路电路图。
图6为本发明中的双电极脑电采集模块的50Hz陷波电路电路图。
图7为本发明中的双电极脑电采集模块的主放大及电平抬升电路电路图。
图8为本发明中的信号输出模块框图。
图9为本发明中的诱导脑电波频率下降的流程图。
图10为本发明中的诱导脑电波频率升高的流程图。
具体实施方式
研究证实，将外界时变磁场藕合到人的大脑睡眠中枢时，可在脑内产生与外磁场同步的感生电流，从而可诱导、调节人脑睡眠中枢的电位活动。发明者由此得到启示：如果某种装置能够采集到患者的脑电波，加以处理，将主频率逐步减慢或加快，然后转化为相应的时变磁场，并将此磁场藕合到睡眠障碍患者的大脑睡眠中枢，便有望调节、诱导患者的睡眠过程，实现促眠或唤醒的功能。
为此，发明者提出了一种智能失眠治疗仪，其工作思路为：采集患者的实时脑电波，处理后转化成时变磁场，并将其耦合(以非接触方式)到睡眠障碍患者的大脑睡眠中枢，实现引导入睡和实现定时唤醒的功能，从而达到治疗失眠和改善睡眠质量的目的。
以下结合附图所示的实施例作进一步详细说明。
图1是智能失眠治疗仪的系统框图。如图所示，该系统包括双电极脑电采集模块、主控制器、存储器、LCD(液晶)显示屏、按键及信号输出模块。其中双电极脑电采集模块用于采集用户的脑电信号，其脑电信号由贴于患者额头两侧的脑电电极(两个脑电电极是常规使用的心电图电极)输入，经过滤波放大后输入16位ADC转化位数字信号，并由数字信号处理器分析处理，提取当前脑电波的主频率及其波形，然后传送给主控制器；主控制器将接收到的脑电信号存储到存储器中，并按促眠时降频和唤醒时升频的处理，输出到信号输出模块；主控制器还具有处理按键输入和液晶显示人机界面的控制；信号输出模块将主控制器送过来处理过的数字脑电信号转换为模拟信号，放大后驱动磁场发生器(磁场发生器安装在患者使用的枕头中)产生相应的磁场变化(时变磁场)，从而实现引导入睡和定时唤醒的目的。
图2为双电极脑电采集模块框图。如图所示，该模块包括电信号依次经过的前置放大电路、光电隔离电路、高通滤波电路、低通滤波电路、50Hz陷波(工频陷波)电路、主放大和电平抬升电路、模数转换器和DSP(数字信号处理器)。其中前置放大电路如图3所示，光电隔离电路如图4所示，高低通滤波电路如图5所示，50Hz工频陷波电路如图6所示，主放大电路和电平抬升电路如图7所示。模数转换器选用TI公司的16位高性能ADS8318模数转换器。DSP选用TI公司的TMS320C5509。DSP中完成的功能有：采集脑电(脑电波)信号，处理脑电信号(提取脑电信号的主要频率及其波形)，并通过串口发送至主控制器。
图3为双电极脑电采集模块的前置放大器电路。两个导联的脑电信号V1、V2由电极采集后输入，分别经过由R2、C1和R5、C2组成的无源低通滤波器滤除高频噪声后，输入由U1、U2、R1、R3、R4组成共模驱动电路的两个同相输入端，以去除无源滤波器的元件参数不匹配所带来的共模干扰变差模干扰的问题，同时提高共模输入阻抗；然后分别输入到U4(AD620)的同相和反相输入端，由AD620放大后输出(输出信号电压V0)到光电隔离电路的输入端。R6、R7的电阻阻值决定了AD620的放大倍数，同时在R6、R7之间取出电压，经过U3组成的电压跟随器后驱动导线的屏蔽层，以提高抑制共模干扰的能力。
图4为双电极脑电采集模块的光电隔离电路。前置放大电路的输出信号电压V0输入到光电隔离电路后，经R8输入到运放U5的反相输入端，U5放大后驱动光耦T1、T2，以实现人体与电气设备的隔离，电阻R11是一个限流电阻，目的是为了保护光耦T1、T2，防止流过它们的电流过大而造成损坏。其中T2与R9、R10构成负反馈电路，和U5的输入端和输出端C3，一起为U5提供快速反馈环路，防止U5产生自激振荡。R12和R14的作用是提供U5的正相偏置电压及平衡U5正反相两端的输入阻抗。隔离后的脑电信号经由运放U6、R13、R15、R16、R17、R18和C4组成的放大电路放大后输出到滤波电路中(输出信号电压V3)。U6的负反馈支路C4和R18构成高频反馈网络，使得经过光电耦合的脑电信号中，由于光的频谱很宽而增加的大量的高频干扰成分在高频负反馈网络作用下可以被滤除干净。
图5为双电极脑电采集模块的高低通滤波电路。光电隔离电路的输出信号电压V3输入到高低通滤波电路的输入端。高通滤波由R21，C6构成，其截止频率为0.08Hz。R19、R20、R22、R23、C5、C7、C8、C9和运放U7、U8构成四阶低通滤波器，其截止频率为60Hz。经过滤波后的脑电信号V4输出到50Hz工频陷波电路的输入端。
图6为双电极脑电采集模块的50Hz工频陷波电路；其中输入信号(脑电信号)V4，输出信号V5。50Hz工频干扰是脑电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制能力，但有部分工频干扰是以差模信号的方式进入电路的，对脑电信号造成严重的干扰，必须加以滤除。在这里我们采用的有源双T网络陷波电路，由运放U9、U10及相应的电阻电容构成。图中R24＝R26＝2R25＝R，C10＝C11＝C12/2，R27＝(1-K)R，R28＝KR，K值取值影响陷波电路的频带宽度。K值越大，频率选择性越好。但是K值太高，滤波器的性能不稳定，当元器件受温度等环境影响参数发生变化时，会使陷波点发生移动，工频干扰就得不到有效的抑制。通常K取0.8左右。此外双T网络中，两支路的R，C的对称程度决定陷波点的衰减能达到的最低限度。只有保持R，R和R/2之间以及C，C和2C之间的严格对称关系，才能使对应于工频的信号互相抵消，衰减到零。
图7为双电极脑电采集模块的主放大电路和电平抬升电路。经过前面一系列电路处理后输入的脑电信号(即图6中的输出信号V5)还是mv级的，由于后续电路使用的ADC输入电压范围为0～2.5V，因此脑电信号在送入ADC之前还需要进一步放大和电平抬升。图中R29、R31和运放U11构成主放大电路，调节R31可调节放大倍数，使输出的脑电信号V6的电压在ADC的输入范围之内。R30、R32和运放U12构成电平抬升电路。
主控制器选用TI公司的高性能TMS470R1VF689，它是基于ARM7的32位RISC TMS470MCU，其将性能、可靠性、可升级架构和丰富外设等完美地集成在一起。在这里主控制器负责仪器总体功能实现的控制，包括将脑电信号的接收与存储，脑电信号的降频或升频，治疗信号的输出控制，人机界面的控制等。
图8为信号输出模块框图，如图所示该模块包括数模转换器(DAC)，放大电路，输出驱动电路和磁场发生器。
模数转换器选用TI公司的单通道16位模数转换器DAC8830。DAC8830将数字量转化为模拟量后，再将放大器放大，最后由输出驱动电路驱动磁场发生器产生磁场。
图9为诱导脑电波频率下降的流程图。如图所示，首先获取给定的(脑电)目标频率，然后进入诱导过程。其诱导过程如下：先获取当前脑电(波)的波形及频率，然后在主控制器中判断当前脑电的频率是否在目标频率范围内，如果是的话说明已经达到诱导目的，结束诱导；否则，主控制器将输入的脑电信号频率降低0.1Hz，然后输出到输出电路中驱动磁场发生器产生磁场波(诱导波)，直到当前患者脑电波的频率到达目标频率范围内。具体的诱导开始时间可通过主控制器设定。
图10为诱导脑电波频率升高的流程图。如图所示，首先获取给定的(脑电)目标频率，然后进入诱导过程。其诱导过程如下：先获取当前脑电的波形及频率，然后在主控制器中判断当前脑电的频率是否在目标频率范围内，如果是的话说明已经达到诱导目的，结束诱导；否则，主控制器将输入的脑电信号频率升高0.1Hz，然后输出到输出电路中驱动磁场发生器产生磁场波(诱导波)，直到当前患者脑电的频率到达目标频率范围内。具体的诱导开始时间可通过主控制器设定。
本发明中的所有电子(电气)元器件可全部外购。