生理學家通過實驗證明，在有刺激的環境中成長的老鼠，比那些沒有受到刺激的要聰明伶俐得多，同樣，人的大腦也總需要樂趣的刺激，今天，我們在現有的腦電采集系統基礎上，將要利用MOTOROLA 先進的DSP 技術，設計實現一個佩帶嵌入式多功能心智娛樂系統，通過該儀器，您可以和自己的心理互動，‘看到’‘聽到’自己的心理狀態，從而進一步設法調節、改變、對付、突破自身的心理障礙，使身、心和諧，數據表明，該類設備可以用于提高學習能力、改善睡眠、放松精神、治療精神疾病等領域，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，口袋佩帶隨身聽式、低成本、高技術含量、適合各種年齡層次人士使用的娛樂、保健用品，我們有理由相信，市場前景相當可觀。
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：“EEG”與“LIGHT&SOUND” 。“EEG”實時監控腦波，依照預設的方法來處理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習機制，識別期望的行為和尋找重復這行為的辦法。“LIGHT&SOUND” 利用腦電波會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。通過選擇合適頻率的光與聲音信號 ,能調節腦電波進入預期的頻率。本系統從人的頭皮引出自發腦電信號，經過放大濾波后，轉換成數字信號，再通過強大的MotorolaDSP 數字信號處理技術，對其進行多路數字濾波、頻譜分析、數據壓縮及聲音合成，以聲、光、圖的動態形式實時地反饋給練習者，不但能夠準確量化入靜狀態，而且更易自發地控制大腦及自身狀態，促進身心協調；對于一些慢性病、精神失調等有一定療效。目前已完成2 通道實驗室樣機，并進行了初步測試，性能指標達到國外先進機型水平。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
早在1875 年 ,英國生理學家理查德·卡頓(RichardCaton)就從兔腦和猴腦中記錄到微弱的電流。但這一發現的臨床意義直到 50 年后才被認識到。 1929 年德國精神病學家漢斯·貝格爾(HansBergar,1873——1941)首先作了嘗試 ,記錄了人腦的電流。貝格爾在做腦手術時 ,從顱骨缺損患者的大腦皮質處成功地檢測出了活動電流 ,并把它同心電圖一樣用圖表的形式表現出來 ,這就是現今神經病學中廣泛應用的一項技術———腦電圖 (ＥＥＧ)的發端。
貝格爾將電極置于顱表 ,檢測到人在不同清醒狀態時的 4 種不同類型的腦電波。當我們處于高度清醒狀態(高度興奮和緊張狀態 )時 ,大腦在 1 3— 2 5 赫茲的波段上工作 ,稱為 β波狀態 ;當我們松弛而清醒(中度清醒 )時 ,大腦在 8— 1 3 赫茲波段上工作 ,稱為α波狀態 ;睡眠的初期階段 ,大腦在 4— 8 赫茲波段上處理白天的信息 ,稱為θ狀態 ;深度睡眠時 ,腦電波在 0 . 5— 4 赫茲波段 ,稱為δ波狀態。如圖1 示
1.2 腦電波與學習
1 .腦電波與精神狀態
腦電波可以被看作是反映人的精神狀態的晴雨表。當處于不同的清醒狀態時，人便會出現標志不同精神狀態的生理反應。腦電圖不僅顯示腦電波的性狀 ,而且顯示它們怎樣變化--其模式實際上可隨不同的清醒狀態改變。這便使清醒狀態具有了可操作性。因此 ,我們可以根據腦電圖的顯示來調整自己的清醒程度 ,采用行之有效的方法來減輕精神壓力 ,保持良好的精神狀態。
2 .α波--最佳學習狀態
α波主要是由腦的枕部發出的腦電波 ,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時出現。我們通過學習獲取的大多數主要信息將被存儲進潛意識之中。許多研究人員發現 ,人們可以通過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的狀態。英國快速學習革新家科林·羅斯說 :"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。它是一種放松性警覺狀態 ,能促進靈感、加快資料收集、增強記憶。α波讓你進人潛意識 ,而且由于你的自我意象主要在你的潛意識之中 ,因而它是進人潛意識唯一有效的途徑。"所謂"放松性警覺狀態" ,并不是指注意力渙散甚至準備去睡覺 ,而是在保持適度的感知覺及思維的靈敏度下的一種精神放松狀態 ,亦即中度清醒狀態。而"中度清醒"的標志就是腦電波處于α波狀態。心理學家早已發現 ,當我們處于中度清醒狀態時 ,最能有效地完成任務。這是因為 ,當腦電波處于α波狀態時 ,一種叫內啡肽的腦內麻醉劑被分泌出來 ,這種物質會大幅度提高多巴胺的功能 ,而多巴胺又是一種可以使人產生某種欲望或堅強意志的介質。可見 ,α波狀態 (放松性警覺狀態 )是一種最佳的學習和工作狀態。
3.如何達到最佳學習狀態
當我們使自己適度放松時 ,腦電波便會自動地達到α波狀態 ,這看似不難 ,在具體實行時卻并非易事。這不但需要我們主觀上要有意識地放松 ,而且要有一定的客觀條件。
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 ,并影響睡眠質量的一種最常見的睡眠障礙。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。
腦電圖研究發現β波是腦電波中頻率最高的一種 ,在正常的興奮狀態占主導。合上雙眼進入放松狀態時 ,腦電波活動明顯減慢 ,此時出現平穩的 α波 ,缺乏α波是緊張、焦慮、大腦受損和疾病的標志。當平靜放松并開始困倦時 ,腦電波活動會更加緩慢 ,此時出現更有節奏的 θ波 。θ波狀態被稱為過濾狀態 ,處于清醒與睡眠之間 ,大部分人一旦產生大量的 θ波就立即開始進入睡眠狀態。熟睡后 ,主要的腦電波變為 δ波 ,一種比 θ波還慢的腦電波 。
1.4 腦電波與疾病
兒童多動癥（兒童多動綜合征）有三個名稱：，腦功能輕微失調（MBD）、注意缺陷障礙（ADD）或注意缺陷多動障礙（ADHD）。早在1854 年，德國醫生霍夫曼首次把兒童活動過多作為一種病態進行了描述。1962 年牛津會議決定統一采用"腦功能輕微失調"。在我國，最為人熟知的是"兒童多動癥"這一名稱。它指的是智力正常或基本正常的兒童，存在著與實際年齡不相符合的注意困難、活動過度、易沖動等特點，因而造成學習困難、社會適應能力差等結果。據估計，約25%到40%的此類患兒有學習困難；30%到90%的此類兒童同時伴有情緒障礙。在我國，患兒童多動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。在臨床醫學上生物反饋技術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、兒童多動癥、焦慮癥 )都需要心理活動的介入 ,即需要病人的主觀心理調節參與 ,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控制正弦光的頻率而構成閉環正反饋系統 ,或者根據需要調整腦波頻段直接用相應頻率的ＳＭＬ進行刺激使其增加 ,這樣就有可能使生物反饋技術提高到一個新的高度和水平。
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，都是使人的大腦進入某種入靜意識---入靜. 幾十年來，學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。通過腦電圖和中樞神經介質生化成分實驗分析，發現入靜會使大腦皮層進入特有的主動性內抑制過程。這是一定程度的良性抑制，是一種高度有序化的激活狀態。
大腦通常在深度休息的時候，既在睡眠期中的第三或第四階段或靜坐入靜，才會產生θ波。它的特點是波幅（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，大腦皮層活動是逐漸由興奮狀態轉入到抑制狀態，這對大腦皮層有保護作用。同時，這種較強的抑制過程，有利于大腦皮層發揮機能以維持人體生理的動態平衡，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，已經有足夠多的生理心理學和神經學研究結果證明：聲光刺激和腦電神經反饋鍛煉作用于人腦的自我調節系統時，會對大腦產生多種有益的作用效果，持續時間長，且無藥物的不良影響。這種“大腦體操”對人腦的作用完全類似于廣播體操對身體的鍛煉。本項目的目標是實現“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，低通開關電容濾波器，光電眼鏡，立體聲耳機，數模轉換器，多路模數轉換器，多路時鐘，紅外線數據傳輸器，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，和多路時鐘源產生調頻正弦波、片外低通濾波器時鐘源、串行通訊接口及多條GPIO，由于消費類電子產品對成本極為敏感，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，極好的性價比，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。
閉環牽引模式。
a) 在EEG 模式時，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，去除直流電進行平，抑制50HZ 交流干擾，窄帶低通濾波后進行A/D 轉換，在DSP 芯片內被實時地計算分離出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，以上功能模塊不工作，DSP 計算產生兩路正弦波數據后經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 時為催眠。
c) 在閉環牽引模式時，以上兩部分功能全部開啟形成閉環系統，以增強鍛煉的效果。
四. 硬件描述：
a) 頭皮電極用鍍銀電極，使用前用鹽水浸泡。
電極放置方法：按國際10-20 系統標準，兩個參考電極分別放置在左、右耳垂處，兩信號電極分別放置在O1、O2 位置，DRL 電極可以接在人體任何位置。
b) 腦電放大器：采用現代高阻儀表放大器做輸入的，總增益約20KV/V，另加屏蔽驅動電路和右腳驅動電路抑制50Hz 干擾，通頻帶1-30Hz。
c) A/D 之前的抗混疊濾波器采用8 階橢圓低通開關電容濾波器，截止頻率由時鐘頻率控制，DSP 中的內置兩通道、八路12 位分辨率ADC,可配置成兩通道兩路同時采樣，最高采樣率達1.66Msps，ADC內部最大時鐘頻率5MHz,8.5 個時鐘頻率即可完成單次轉換，具備與DSP 內部TIMER 模塊、PWM 模塊及外部信號同步觸發功能，本系統就是利用TIMER 模塊的TC2、TC3 定時中斷并觸發ADC，對1—30Hz 的腦電信號進行采樣，采樣頻率為250Hz TIMER 提供精確50%占空比3.5K 時鐘，R＝1.5。兩路EEG 信號從AN0、AN4 輸入。
d) MotorolaDSP56805 內部有16 個定時/計數器，可對內/外部事件計數，及對外部輸入信號進行計時等基本功能，其中包括定頻/變頻脈沖輸出，由于腦電信號經EEG 放大器放大后，須進行帶限處理，利用TIMER 模塊的TC0、TC1 提供8 階橢圓低通開關電容濾波器3.5KHz 的工作時鐘，截止頻率由時鐘頻率控制。Timer D 模塊分別輸出變頻方波，調節聲、光節率。
e) 128*64 像素的LCD 顯示器負責顯示功能菜單和EEG 頻譜對稱性圖，LCD 通過DSP 外部存儲器跟DSP連接，另加4 條GPIO 控制腳。
f) 鍵盤只有兩個按鍵，按左鍵滾動菜單項，右鍵選擇項，分別接IRQA 和IRQB 外部中斷。
g) 805 片內串行通訊接口(SPI)可方便地將各種DSP 產生的音效算法輸出到外部DAC。
h) 利用片內串行通訊接口(SCI)通過紅外數據接口設備(IRDA)與家用PC 通信，安全方便。
系統原理圖
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五. 軟件描述
a) 由于要求從原始腦電信號中提取出7 個頻段的信號功率，無相位要求，故采用以下指標的7 個IIR數字帶通濾波器。
0.8 – 2.9 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減 46dB。
3.2 – 5.0 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB
5.3 – 7.8 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB
8.2 – 10.8 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB
11.3 – 14.8 Hz, 通帶波紋0.5dB, 阻帶衰減48dB
15.3 – 18.0 Hz, 通帶波紋0.5dB, 阻帶衰減50dB
24.5 – 34.0 Hz, 通帶波紋0.1dB, 阻帶衰減44dB (53dB @ 50Hz)
b) 每通道128 點FFT 計算，并在LCD 上顯示左右腦半球的EEG 頻譜對比圖(即腦頻譜鏡),重疊比4:1,即每0.25 秒計算更新一次。
c) 在腦波反饋模式中(EEG)，電子儀器通過頭皮電極實時地拾取出腦波信號，并通過特殊的音效反饋給入靜者，使其通過自身的心理調整，更加接近目標狀態。每通道獨立進行α、β、θ三頻段數字帶通濾波，濾波輸出后進行相應的頻段幅度比計算，再根據相應的比值控制可變頻方波發生器輸出，驅動音頻。
軟件描述
d) 在聲光模式時，通過用戶設定，儀器根據特定的生理節律，以音效、閃光的形式產生誘導刺激。通過一個8 段序列發生器，產生一個純正弦波和背景粉紅噪音，調制聲、光輸出。聲音基調、振動頻率、左右耳聲音強度、粉紅背景音強度、聲音段長度和時間段長度等都可由用戶自定義調節。每個預設值均有一個獨立的用戶可編程音調，而且增加了9 個預置節拍頻率值。本功能正是采用正弦調制信號以聲光形式對主體的腦電進行誘導，使之產生‘腦皮層共振’現象。
軟件描述
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e) 在閉環牽引模式時，腦波反饋模式與聲光誘導模式，同時作用于受試者，使聲光誘導可根據腦波的狀態自動調節，大大緩和腦波狀態，自我調節更有效。是一種頻率牽引效應，使受測者在知道自己狀態的同時，被引導仍向目標頻率的腦波狀態靠近，且知道靠近了多少。反饋短促且間隔較長的音頻信號。從生物反饋技術來看，是把人腦不能感知的生理信號通過電子儀器提取、轉化為聲、光信號反饋給使用者，通過自身的心理調整，改變自身的生理狀態，其中，心理調整是依靠使用者心理有意識地、甚至強烈的愿望，然而，一些人，如兒童、小兒多動癥患者，精神渙散癥、精神、注意力難以集中、情緒易波動者等都需要借助有效機制的引導。以當前的腦波信號根據所設目標頻率，使調制光及聲響依照接近目標的距離進行誘導，令受測者通過反饋信息不自覺地接近目標。
軟件描述
程序初始化