便携式脑功能生物反馈仪 【技术领域】
本发明涉及脑电信号检测及其生物反馈技术。
背景技术
注意力障碍多动综合症(ADHD)是学龄儿童最常见的现象或状态(甚至可以说是精神疾病之一)，其主要表现为注意力不集中、多动及冲动并造成了学习困难等症状。大约有5％～15％的儿童患有ADHD，而其中20％的人其症状一直伴随到成年。因此，有人提出需要治疗，在治疗上主张多模式治疗，以中枢兴奋剂为主。但药物仅对部分病例有暂时效果且副作用较大、依从性差。随着现代脑电生物反馈理论与技术的发展，用于人脑的检测和反馈的工作站式的脑电生物反馈的系统在发达国家已有开发。但是，国际上的脑功能生物反馈仪目前主要还是要借助于工作站或PC机，其价格昂贵，需要专业人员操作，在国内难以推广普及。对生物电的测量可见CN200310106129.2提出的高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比以及宽频带多通道心电放大器
【发明内容】
本发明的目的是，提出一种脑电生物反馈系统及其检测方法，尤其是用于改善注意力障碍多动综合症，即得到以及分辨起码两种状态的脑电波，可以改善注意力障碍多动综合症(ADHD)状，无副作用和无痛苦，并可以持久保持效果，而且可以有效地改善与ADHD相关的认知缺陷，从而成为ADHD多种干预方法和装置中有力的一种。
本发明目的是这样实现的：由输入传感器即接人体的脑电测量导联、放大与选频模块、导联脱落自动检测模块、屏蔽驱动与右腿驱动模块、A/D采样与转换模块、电气隔离模块、DSP构成的计算分析模块、触摸屏及扬声器构成的人机交互模块、SD卡构成的存储模块、嵌入式ARM(如ARM9)微处理器构成的控制模块，构成并依次连接。其中，嵌入式微处理器完成整个系统控制；放大与选频模块进行信号的预处理，包括高性能的前置放大器和选频放大器；电气隔离模块实现过载保护并保证人体安全；A/D采样与转换模块实现信号的模数转换；计算分析模块实现特征脑电成分如α波(频率8～13Hz)、β波(14～32Hz)、θ波(4～8Hz)的提取以及特征参数(如不同特征成分功率比值)的计算，以对应不同的脑电活动模式；人机交互模块一方面将结果以视觉或听觉的形式反馈给被测试者，另一方面也接受用户对于各项功能与参数的选择与设定；存储模块实现数据与分析结果的保存。
硬件包括构成便携式脑功能生物反馈仪的所有芯片与电路连接，例如：输入传感器即接人体的脑电测量导联、放大与选频模块、屏蔽驱动与右腿驱动电路模块、导联脱落自动检查模块、电气隔离模块、A/D采样与转换模块、DSP及其外围电路、触摸屏、扬声器及其外围电路、SD卡及其外围电路、ARM9微处理器及其外围电路。
输入传感器采用三个电极(银或镀银的电极)分别固定在头顶和两侧耳垂，两耳侧的其中一极作为零电极(参考电极)，另外两个电极经过缓冲电路连接到脑电前置放大器的一对差分输入端。放大与选频模块实现多档可调的脑电信号放大以及频带选择，其前置放大器采用差分放大，可采用高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比以及宽频带生物电放大器。屏蔽与右腿驱动模块用来进一步消除共模工频干扰。导联脱落自动检查模块利用接触阻抗的检测来实现。A/D采样与转换模块完成单路EEG信号的采样。电气隔离模块实现过载保护并保证人体的安全。DSP实现脑电成分的实时提取与敏感参数的实时计算。触摸屏实现人机交互。SD卡实现数据长期保存。ARM9微处理器完成整个系统的控制并实现反馈训练。
从大脑皮层采集的脑电信号是微伏(μV)级的信号，主要能量包含在0.05～30Hz的频段内，属于信噪比低的微弱信号，容易受到周围环境的影响，例如电力系统的工频干扰等。因此放大选频模块要尽可能灵敏而真实的反映脑电信号，必须要具备高性能的指标。在检测系统中的放大电路的指标：电路放大倍数最大20000，共模抑制比CMRR≥100dB，输入电阻≥100M，短路噪声≤3μVPP，频带带宽：0.25～75Hz。
AD转换的主要技术指标：单通道、12位分辨率，采样率1000Hz，工作方式中断。
软件从功能上分包括控制模块、数据采集模块、存储模块、显示模块、运算分析模块、人机交互模块、数据管理模块、实时训练模块和分析报告模块。其中除运算分析模块在DSP上完成，其它模块均在ARM9处理器上实现。
脑电信号是一种随机性很强的非平稳信号。目前较公认的分析方法大多建立在假设脑电图是准平稳信号的基础上。即：认为它可以分为若干段，每一段的过程基本平稳。利用DSP地高速运算能力，将实时脑电信号以2s分段，利用FFT对每一段提取脑电特征成分并计算θ/β(即波与β波的功率比值)从而进行脑电活动模式分类。
ARM9处理器通过控制模块实现对各功能模块的启用及参数设置并使所有模块协调工作，成为一个有机整体。
人机交互模块实现应用程序框架，友好界面，通过用户的选择可以调用若干功能。
数据管理模块实现用户档案的数据库生成和管理。
实时训练模块包括注意力训练模块、反应速度训练模块、短时记忆力模块。其中注意力训练模块包括对受训者标准测试模块和反馈训练模块。受训者先接受一个标准测试，处于平静放松的状态下，注视位于屏幕中央上的某一静止物体20-60s，将这段时间的脑电信号采集存储起来，计算出衡量注意力平均水平的特征参数值，作为以后反馈训练中进行比较注意力水平的标准值。然后根据注意力平均水平的特征参数值设定注意力观察图案，同时检测脑电波，经过实时特征提取和计算后与标准测试中的基准值比较注意力水平，以图案中的两种作为注意力提高与分心的指标(如以积木前进或不动分别作为注意力提高与分心的指标)反馈给受训者，促进其调整思维模式。
分析报告模块实现用户脑电检测和训练结果报告的多样化输出。
本发明的有益效果是：脑功能生物反馈又称神经反馈，通过工程技术手段将脑电(EEG)信息检测出，并实时反馈给受训练者，让其了解自己的状态，并有意识的学习控制自己的脑电模式，通过反复训练产生持久效应，使大脑活动向正常、健康的水平发展，以解除生理、心理的不适。与传统的药物法相比，脑电生物反馈疗法更能充分调动受训者的内在潜力，使受训者积极参与治疗。志愿者包括发明小组自身均可以进行应用，在实用中显示了较好效果。
ADHD的脑电生物反馈训练：据有关研究表明，在思维分神或处于散漫状态时包括ADHD者的EEG异常，与正常注意集中的脑电相比，显示额叶θ波较对照组明显增多(这种状态可能对应着无意识的思维状态)，后部皮层β波减少。针对ADHD特征性的EEG改变，脑电生物反馈法使ADHD者(上述被测试者)学会减少EEG中的θ波、提高β波，形成牢固的操作性条件反射，从而增强注意力，延长注意集中的时间，减少多动倾向。
本发明提出的便携式脑功能生物反馈仪，以嵌入式的ARM9系列芯片为内核，以高速运算的DSP为独立运算单元，以触摸屏实现反馈显示和人机交互，配合高性能的脑电信号放大与采集模块，构成独立的集采集、分析计算、存储、显示、反馈训练、人机交互于一体的便携式仪器，以轻松的动画方式实现脑功能模式的训练。仪器体积小巧、操作方便，成本远低于国际上工作站式的同类仪器，适于向社区和家庭推广。
【附图说明】
图1是本发明总体硬件的框图
图2是本发明总体软件框图
图3注意力训练模块流程图
图4短时记忆力训练流程图
图5反应速度训练流程图
图6精神不集中状态的脑电波图
图7精神集中状态的脑电波图
图8精神不集中状态的脑电波(上面的二图)和精神集中状态的脑电波的比较(下面的二图)
图9是本发明前置放大器与共模驱动电路
【具体实施方式】
基于嵌入式系统的便携式脑功能生物反馈仪(如图1、图9所示)：系统包括对人体(儿童)的脑电信号进行检测的脑电检测系统(硬件)，以及分析训练系统(软件)构成，从而对ADHD者的注意力水平进行定量、客观的评定，帮助ADHD者利用生物反馈进行自我调节地提高注意力的训练；生物反馈训练系统包括一些人机交互的训练模块，也有助于帮助被测试者提高记忆力和反应速度。器件型号见附图。图9高性能前置放大器与共模驱动电路：其中INA121、INA128构成前置放大，Rg1、Rg2调节放大倍数；R1、R2拾取共模信号，与OP37G构成共模驱动。采用前置放大器与共模驱动电路：其中前置放大器输入端由脑电极和耳电极输入。放大器输出端的接共模驱动电路的电阻R1、R2拾取共模信号，与OP37G构成共模驱动。
便携式脑功能生物反馈仪硬件系统框图。脑电(EEG)信息检测α波，频率为8～13Hz，振幅为20～100μV，清醒、放松、安静、闭目时出现，睁眼、思考问题或接受其它刺激时消失。β波，频率为14～35Hz，振幅为5～20μV，安静、闭目时只在额叶出现，睁眼视物、进行思考或接受其它刺激时，在其它皮层部位也出现，一般表示大脑皮层兴奋。
θ波，频率为4～8Hz，振幅为100～150μV，困倦时出现，是中枢神经系统抑制状态的表现。
所述脑电波加以处理之后，将这些脑电波处理后信息以视觉或听觉形式反馈给受训者，受训者通过对自己脑电信息的认识，学会有意识地控制自身的脑电活动，有意并集中注意力用以保持所需要的特定波形及频率分量的脑电，从而从注意力障碍多动综合症(ADHD状态进入另一个集中注意力的状态。
脑电信号检测系统指标：在检测系统中的单路脑电信号放大通道，采用三个电极分别固定在头顶和两侧耳垂，两耳侧的其中一极作为零电极(参考电极)，另外两个电极经过缓冲电路连接到脑电前置放大器的一对差分输入端。采用的是银或镀银的电极。
放大电路的设计指标：电路放大倍数最大20000，共模抑制比CMRR≥100dB，输入电阻≥100M，短路噪声≤3μVPP，频带带宽：0.25～75Hz。
AD转换的主要技术指标：单通道、12位分辨率，采样率1000Hz，工作方式中断。
图2为软件系统框图，软件系统由控制模块、数据采集模块、显示模块、存储模块、运算分析模块、人机交互模块、数据管理模块、(实时)训练模块、分析报告模块组成。其中除运算分析模块在DSP上完成，其它模块均在ARM9处理器上实现。ARM9处理器通过控制模块实现对各功能模块的启用及参数设置并使所有模块协调工作，成为一个有机整体。人机交互模块实现应用程序框架，友好界面，通过用户的选择可以调用若干功能。
实时训练模块包括：注意力训练模块、反应速度训练模块、短时记忆力训练模块。
注意力训练模块：对训练者的训练，包括对受训者标准测试模块，受训者先接受一个标准测试。受训者处于平静放松的状态下，注视位于屏幕中央上的某一静止物体20-60s，将这段时间的脑电信号采集存储起来，计算出衡量注意力平均水平的特征参数值，作为以后反馈训练中进行比较注意力水平的标准值，存于个人信息头文件中。然后设定注意力观察图案，同时检测脑电波，经过实时特征提取和计算后与标准测试中的基准值比较注意力水平，以图案中的两种作为注意力提高与分心的指标(如以小鸟的高飞和向下、或采用积木前进或不动分别作为注意力提高与分心的指标)反馈给受训者，促进其调整思维模式。其流程图如图3。
定义集中注意力时间百分比：其中训练分段时间可以为10s，当这10s的注意力水平比标准测试的注意力平均水平高，认为此秒注意力是集中的。还可将曲线进行拟合直线，绘制这段训练时间注意力水平的趋势图。
短时记忆力训练，流程如图4。
将受训者在短时记忆力训练中每五次的训练情况计算正确率，通过这个阶段的训练，可使受训者的短时记忆力得到一定的提高。
反应速度训练，流程图如图5。
特征值的寻找：据有关研究报道，以60名6～10岁儿童为研究对象，实验组30名已确诊为ADHD儿童，对照组30名为一般儿童。研究结果如下：(θ波：4～8Hz，β波：13～21Hz，θ/β：θ波与β波的功率比值)。
实验组与对照组儿童的脑电图θ/β值比较
类型 N 平均数 标准差 实验组 30 10.5870 4.5574 对照组 30 5.5167 1.9629
◆6～10岁儿童的θ/β比值一般在5.5左右，而ADHD儿童高于此数值。
◆确诊为ADHD的10名儿童进行了10次以上的脑电生物反馈训练。将ADHD儿童训练前、训练5次、训练10次的脑电图θ/β值进行了方差分析。
应用脑电生物反馈训练效果之θ/β值的比较
训练次数 N 平均数 标准差 训练前 10 11.644 4.2474 训练五次 10 8.454 2.6359 训练十次 10 6.647 1.2039
脑电生物反馈训练对ADHD儿童的效果是显著的，但必须坚持10次以上才能取得成果。特征参数的提出：
θ波与β波的功率比值：θ(pw)/β(pw)的提出，为诊断ADHD提供了一个较准确的客观指标。ADHD儿童的脑电图θ波成分较多，而β波是反映注意力集中和精神紧张的波形。
在程序中，标准测试中衡量注意力平均水平的基准值是将40s采集到的脑电数据进行固定间隔分段(设定为2s)，总共有20段脑电数据，然后对每段脑电数据计算特征参数θ/β值，最后对20个特征参数值进行平均得到。在注意力维持训练和实时任务训练中，当此时特征参数值变小(相对于标准测试的标准值)，认为注意力集中；反之，认为注意力不集中。采集到的脑电数据进行固定间隔分段(程序设定为2s)，要实时处理2s的脑电数据(数据个数为200)提取特征参数θ/β，计算速度要求高，采用高速DSP芯片进行FFT。是θ波与β波的功率比值。因为信号的功率正比于其电压的平方，故特征参数也等于：