脑电生物反馈治疗仪与睡眠分期的研究(可编辑)

脑电生物反馈治疗仪与睡眠分期的研究(可编辑) 脑电生物反馈治疗仪与睡眠分期的研究 分类号: 学校代号: : 密级: 学 号: 广东工业大学硕士学位论文 工学硕士 脑电生物反馈治疗仪 与睡眠分期的研究 陈群 指导教师姓名、职称: 郑目苤副教授一 学科专业或领域名称: 控蛊理论量控制工程 学生所属学院: 自动化堂院 . 论文答辩日期: 墨玺昼且墨目一. :: . ,...。摘要 摘要 睡眠是一种重要的生理现象,人类通过睡眠使疲劳的神经细胞恢复正常的生 理功 能,精神和体力得到恢复,好的睡眠才能拥有健康人生。然而,随着现代生活节奏的 日益加快,来自社会各方面的压力不断增大,人类越来越多的遭受着各种与睡眠相关 疾病的折磨。其中失眠症是最常见的睡眠障碍,极大的影响着人的健康。因此,研究 睡眠脑电所蕴含的信息,掌握睡眠周期的变化规律,有效地诱导和控制睡眠过程,对 诊断和治疗与睡眠相关的疾病有着重要的意义。 脑电生物反馈疗法是继药物和物理疗法后一种新的治疗失眠的方法,它将脑电信 息反馈给受试者,使之用主观意识对自身脑电活动进行调节,达到治疗和保健的疗效。 而对睡眠脑电的分期研究,寻找出新的睡眠分期特征,能提高睡眠分期的准确性,为 分析睡眠结构和评价失眠治疗效果提供更多的手段。 本文中的脑电生物反馈治疗法,是由中山大学附属医院阮经文教授和广东工业大 学郑日荣副教授共同提出的。脑电生物反馈治疗仪是根据人在有睡意时脑电信号以 波和波为主,提取睡眠脑电的艿波和口波经电针去刺激人的穴位,诱导患者 大脑产生 艿波和波,从而达到治疗失眠的作用。首先从刺激人体穴位的医疗波来看,仪器用来 刺激人体穴位的医疗波是波和波,它们是从人的脑电中提取,与人的生物电相差无 几,人体完全能够适应此脉冲的针灸刺激,而常见的低频波总会产生机体不适。其次 波和日波的脉冲幅度、频率、占空比均可调,可输出频率、占空比可变的刺激波,能 更好的避免产生电针耐受现象。更重要的是脑电生物反馈治疗仪的刺激波是根据人的 睡眠规律而来,这是其他低频波无法比拟的。研制的脑电反馈治疗仪器操作简单便捷, 可通过键盘调节占空比、幅度、频率,并可实时显示当前的输出波形。同时从疗效上 来看脑电反馈治疗仪的最佳疗效睡眠时间比普通电针仪的提高了一倍。 睡眠分期的研究是通过对睡眠脑电信号中的艿波和波进行分析,计算出睡眠各期 脑电节律艿波和波的样本熵值。实验结果表明,睡眠各期脑电节律波和口波的样本 熵值可以用来进行睡眠分期,为睡眠分期提供了新的特征变量,是一种新的睡眠分期 方法;同时分析睡眠各期脑电节律波和波的样本熵值的大小可以用来观察和 分析脑 电生物反馈治疗仪的电针刺激效果。 关键词:脑电生物反馈,睡眠脑电,脑电节律,样本熵,睡眠分期 广东工业大学硕士学位论文 , . .,、?血, . ,.,, . ?, , .,, . ,? , 诵, .,、,, . ,, , ’ . ??.,,, .. , .,; . : , ,广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要。??.??.? 第一章绪论?. .课题背景介绍? ..睡眠概述?. ..脑电生物反馈疗法.. .研究与研究意义? ..研究内容..研究意义?。 .研究现状 .课题来源及论文结构?。 ..课题来源?. ..论文结构?. 第二章脑电生物反馈治疗仪? .脑电生物反馈疗法的机理..电针治疗仪的机理. ..睡眠脑电?。 ..脑电生物反馈疗法? .整体方案的和比较.. ..整体方案设计..医疗波的比较 ..仪器与疗效 .本章小结??. 第三章脑电信号分析与处理方法? .脑电信号的特点??. ?目录 .脑电信号处理方法?.. ..时域或频域的分析方法? ..时频域的分析方法 ..非线性动力学方法. ..人工神经网络方法 .小波理论??. ..连续小波变换及其时频特征.. 快速算法. .脑电滤波处理. ..傅立叶去噪原理? ..小波阈值去噪原理 .本章小结??. 第四章脑电信号的去噪与节律提取 .脑电信号数据.. ..脑电数据来源..数据的读取与截取 .脑电信号去噪处理?. ..傅里叶变换去噪? ..小波阈值去噪??. ..脑电去噪效果比较 .脑电基本节律提取?.. .本章小结??. 第五章睡眠脑电节律的分期研究? .睡眠分期准则. .样本熵理论.睡眠脑电节律的分期? ..睡眠脑电节律的分期方法 ..实验结果及其分析 .本章小结 广东大学硕士学位论文 结论与展望?.. 参考文献??. 攻读硕士学位期间发表论文. 学位论文独创性声明. 学位论文版权使用授权声明.. 致谢?..? .??.??...??.. ..?.. .. ..??. ... .?. .?. .. :??. ....??..??.. .??. ... ..??. ..?. .??.. ..??。 ... ... ... .】:: ?..?..?.....?.?.......?.....?.?...?...?.................... .?........... .??.广东工业大学硕士学位论文.. .. .. .一 .... ...??. .. ..?。 .?。 ..?.. ..?” .? . .??. ..??。 ...??. .. ..??. ..?. ...? .. .. ..??.? .?. ’?.....??. 第一章绪论 第一章绪论 .课题背景介绍 ..睡眠概述 睡眠是一种重要的生理现象,人类通过睡眠使疲劳的神经细胞恢复正常的生理功 能,精神和体力得到恢复?。睡眠好才能拥有健康人生,充足的睡眠可以增强人体免疫 力,促进生长,提高脾脏和骨髓的造血功能,对大脑智力的发育大有好处,还可以保 证大脑思维清晰、反应灵敏,提高创造力和处理事务的能力。深度睡眠可以使人变得 聪明,因为睡眠是个主动过程,在深度睡眠阶段,脑电波有自动过滤功能,白天经历 的事情会转化为长久记忆。想要精力充沛和聪明,需要保证睡眠时间和质量乜,。 睡眠几乎占据着我们生命的三分之一,睡眠与活动交相更替,是人体适应自然界 昼夜变化的一种自然调节的生理功能。睡眠是给机体不断充电和供能的过程,它不仅 能消除疲劳,而且使身体所必须的物质得以补充,确保人体有充分的精力。所以睡眠 密切影响着人类的各项事宜,是保障机体和心理健康最有效的手段之一?,。 然而,随着现代生活节奏的日益加快,来自社会各方面的压力不断增大,人类越 来越多的遭受着各种与睡眠相关疾病的折磨。一旦好的睡眠规律被扰乱,就很容易诱 发生理和心理上的疾病。这些疾病有失眠、嗜睡、睡眠窒息症、强制入睡性睡眠障碍、 快速眼动期睡眠行为障碍、睡眠、觉醒节律障碍和睡眠调节性障碍等,其中最 常见的一种睡眠障碍就是失眠。失眠通常指患者对睡眠时间和质量不满足并影响白天 社会功能的一种主观体验?,。失眠会使人感觉头脑发昏、不快乐,注意力不集中,长期 失眠者除严重意外事故和外伤发病率明显高于睡眠正常者外,还可诱发焦 虑、抑郁或 高血压、糖尿病等几种疾病,严重地影响了人们的身心健康和妨碍社会功能‘。据 世界卫生组织的一项调查结果表明:睡眠障碍在世界上是一个没有得到充分重视和解 决的公共卫生问题。为唤起全民对睡眠重要性的认识,国际精神卫生和神经科学基金 会发起了一项全球睡眠和健康,将每年的月日定为世界睡眠日哺,。为了提高 公众健康睡眠、保护心脏的意识,年月日世界睡眠日中国主题确定为“关 注睡眠、关爱心脏。 失眠是一种原发性或继发性睡眠障碍,极易漏诊,仅有%的失眠患者就医,%广东工业大学硕士学位论文 的患者甚至未向医师提及症状,。失眠主要看一个人的睡眠质量,可通过脑电图、肌电 图、眼动电图以及心电图等手段进行睡民观察和监护。睡眠是一种极其复杂的生理过 程,极易容易受情绪、环境等因素产生波动影响,但睡眠有着一定的生理规律,通过 研究睡眠脑电的变化,可以掌握睡眠的基本周期规律,从而有效地诱导和控制睡眠过 程,这对诊断和治疗与睡眠相关的疾病有重要的意义。在睡眠的研究中,睡眠 脑电是 在睡眠状态下脑电活动的记录,它包含着大量的有用信息,通过对脑电信号的分析和 处理,可以有效地从脑电信号中提取出可靠的特征参量,用来反映不同的脑功能状态, 同时可以利用数学手段来分析这些特征参量,探寻脑电信号中隐藏的各种有关于人的 生理和心理的“秘密,。 目前失眠主要有中、西医两种疗法..,,西医采用镇静剂对症治疗,注重的是药物 与心理治疗,但难以解决宿醉反应及成瘾性等副反应问题。中医多用中药、针灸、物 理疗法等疗法,注重的是人体整体状态的调整,中医治疗失眠的机理和作用,在于能 协调阴阳,扶正祛邪,疏通经络,调节经络与脏腑气血的平衡,从而达到改善睡眠的 目的。中医治疗失眠效果理想,不良反应少,尤其是针灸的无毒副作用和对睡眠结构 的修复作用,针灸治疗是直接刺激穴位,从而改变大脑皮层功能达到改善睡眠的目的, 非常符合睡眠的研究方向阳,。但是,由于针灸疗法具有受主观因素作用影响较大的缺陷 以及从事针灸治疗方面人才缺乏的特点,使得针灸治疗难以得到推广并形成,所 以寻找新的有效治疗手段已成为目前国内外研究的趋势。 睡眠障碍对生活质量的负面影响已经成为人类正常生活不可忽视的因素。因此, 对睡眠的研究有利于预防和诊断睡眠相关疾病,具有重要的医学理论研究和临床应用 价值。 ..脑电生物反馈疗法 生物反馈疗法 指的是采用现代的医学仪器,通过人体内生理 或病理的信息进行自身的反馈,患者经特殊的训练后,产生有意识“意念的控制及 心理的训练,达到治疗疾病的过程和恢复身心健康的一种新型心理疗法?““,。此疗法目 的明确、直观有效、指标精确,患者无任何痛苦和副作用。 脑电生物反馈是指通过工程技术手段,把脑电信息反馈给受试者,使之用主观意识 对自身脑电活动进行调节,以达到治疗和保健的疗效“”。机体在安静休息状态时,大脑 皮质就能出现节律性活动,某种刺激或神经活动时,就可以改变大脑皮质电活动的类 第一章绪论 型,这就是运用了脑电生物反馈治病的电生理学基础。失眠症是一种常见的睡眠障碍, 发病率较高,主要是心理的原因。治疗失眠症目前主要有中西类的药物、心理辅导疗 法、针灸治疗等等,这些疗效总存在着的不良效果,目前国内外都在积极寻找新的有 效的替代治疗手段”。已有研究表明,脑电生物反馈能够稳定且有效地影响到脑电细胞 的活动,慢慢地使失眠患者的睡眠功能正常化。脑电生物反馈疗法已被用于治疗癫痫“”、 儿童轻微功能失调““、失眠引等疾病。 .研究内容与研究意义 ..研究内容 本文是基于脑电生物反馈疗法和睡眠分期的研究,主要研究内容为:?脑电生物反 馈治疗仪器的研发;?睡眠脑电信号的处理,包括脑电信号的去噪处理和基本节律的 提取;?使用非线性动力学样本熵的方法对睡眠各期的脑电基本节律进行样本熵的运 算,统计其样本熵规律,为睡眠分期提供新的特征参数。 ..研究意义 本文通过研究睡眠脑电的基本节律在睡眠各期的变化规律,对睡眠脑电进行 基本 节律的样本熵运算,其熵值可作为睡眠脑电信号各时期的特征,是睡眠状况分析和睡 眠质量评价的前提和基本内容,可作为评估失眠疗法的重要手段。再根据脑电生物反 馈原理将脑电信号基本节律中的波和波通过针灸原理刺激人体穴位,试图诱导失眠 患者的大脑产生艿波和波,进而分泌某些与睡眠相关的神经肽和递质,使失眠患者入 睡,延长睡眠时间,改善睡眠质量。 本文的特色和创新之处:.采用脑电生物反馈疗法治疗失眠,提取人脑电中的波 和波经电针去刺激人体穴位,诱导患者大脑产生波和日波,进而研究其治疗失眠的 效果及其作用机理。这一研究思路和方法,与文献报道的生物反馈疗法和脑电生物反 馈失眠疗法相比,有本质的不同,是本项目的重要创新点。.提出了一种新的睡眠分期 方法,以睡眠各期脑电节律波和波的样本熵值作为睡眠分期的特征参数,可以用它 们来表征睡眠分期,为研究睡眠分期提供了新的特征量;同时睡眠各期脑电节律艿波 和波的样本熵值的变化又可用来观察和分析脑电生物反馈治疗仪的刺激效果。 广东工业大学硕士学位论文 .研究现状 本文的主要工作包括脑电生物反馈治疗仪和睡眠分期的研究,故主要从从脑电生 物反馈疗法和睡眠分期这两个方面做个综述。 目前国内外有关脑电反馈控制技术研究主要有两个方面:脑电生物反馈疗法和脑 诱发电位 的研究?”。脑电生物反馈疗法国内外研究较多的是脑电 口波生物反馈,脑诱发电位主要应用于异常脑电活动的临床诊断。 脑电生物反馈是通过工程技术手段,把脑电信息反馈给受试者,使之用主观意识 对自身脑电活动进行调节,以达到治疗和保健的疗效。目前,研究者和医疗工作者们 都致力于将该项技术用于解除人的焦虑和紧张情绪,并用于治疗诸如脑内伤、酗酒、 精神障碍等病症,在临床应用中取得了一定的效果。基于脑电生物反馈的治疗方法已 有不少成功的案例”,。脑电生物反馈主要应用于青少年的注意缺陷多动障碍 治疗、神经症治疗、运动员训练等。 应用脑电生物反馈原理治疗失眠症,是目前的研究热点之一。初步研究结果表明, 脑电生物反馈可以有效而稳定的影响脑电活动,最终使失眠患者的睡眠功能和白天的 功能正常化啪。文献【】研制的基于生物反馈的脑波理疗仪可以产生、电脉冲 信号,辅之以频闪光和双声道口波音乐,用有节律的声、光、电刺激人脑穴位神 经系统和人的双眼视神经,以诱发和加强所需的脑电波,使人能够舒缓情绪,缓解 疲劳,增强学习愿望,达到理疗的目的。另外,文献报道了一种脑电波生物反馈治 疗仪,它使用特定频率的闪光刺激视神经,诱发特定的脑电节律,达到使人进入希望 的意识状态的目的。例如,对于失眠症患者,可以使用~的闪光刺激诱发和 加强脑电波,使人处于松弛状态;然后再用的闪光诱发和加强脑电波,使 人逐渐进入睡眠状态。该文运用同样的原理,诱发和加强脑电波,以克服非故意性 睡眠意识,提高工作或学习效率。试验表明,该方法效果较显著。对例频 发性期前收缩的儿童采用的低频磁场进行治疗,效果不错哺,。国内王明时 等人’研究了低频脉冲磁场对睡眠的影响。年,周卫东、曹毅、胡中揖等人做了 声、光、磁物理刺激对人体脑电影响的计算机分析。年,北京大学深圳医院神经 内科的童晓欣等人恤,做了脑电图光刺激的光驱反应频谱研。年,张羽、钱志余、 李韪韬、张建华等人汹,做了口频率光刺激脑电信号同步化的初步研究。文献【】报道了 使用欧洲公司多导神经生物反馈仪治疗失眠症的情况,结果表明应用脑电生物反 第一章绪论 馈方法治疗失眠症,效果优于药物治疗。 对睡眠的研究有利于预防和诊断睡眠相关疾病,具有重要的医学理论研究和临床应 用价值,也是分析睡眠结构和评价失眠治疗效果的关键。最早是在年,德国精神 病学家 发现人在觉醒和睡眠时的脑电活动呈现的节律是不一样的啼.】.目前 国际上普遍使用的是年和提出的睡眠分阶规则”。它能更准 确判断和定量分析人的睡眠状态,这一项睡眠分期为之后几十年的睡眠研究工作 做出了卓越的贡献。它把睡眠分为觉醒期、非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠 期,其中又分为睡眠期、睡眠期、睡眠期和睡眠期。 睡眠分期长期以来是由人工完成的,人工的方法繁琐、费时,所以学者们不断尝试 设计可靠且准确的自动分期算法,用来区分各个不同的睡眠期,近几十年来,随着计 算机技术以及模式识别技术的快速发展,研究已经表明睡眠分期的准确率大约是 ‰%九?。早在上世纪年代初学者们已经开始了对睡眠脑电自动分阶的研究,这 些自动分期的技术主要有时频域的分析、非线性动力学以及人工神经网络等多种方法。 时频分析方法应用较为广泛的有小波变换 ,、维格纳分布 ,和.分布等;年代初和恤 提出了睡民自动分析系统,是一种采用模拟信号处理技术和数字信号处理技术的 混合信号分析系统。年代中期,和‘蚰,设计和发展了以数字计算机为基础 的,采用数字信号处理技术的睡眠自动分析系统。同时期,和”,等提出了一种 基于专家系统的自动分析睡眠的方法。等人,用自组织聚类的方法识另 记录中的各个睡眠期间,该方法是基于睡眠的特征用于识别各年龄阶段人的整夜 睡眠脑电记录,平均识别率为.%。宦飞等人?,提出了一种利用.分布对 睡眠信号进行时频变换,并求出睡眠信号各个特征波形在中所占比例的 方法对睡眠自动分期,各阶段的平均识别率为.%。年代以后,睡眠分阶的 方法研究主要集中在人工神经网络和非线性信号分析方法上。.和.伽 把人工神经网络应用于睡眠的自动分析。 ?’设计了有监督和无监督网络并行工作的睡眠自动分析系统, 对整个晚上的睡眠质量进行自动评估。 等町和.等,也应用 神经网络分类器进行了睡眠分期,他们利用、、的特征作为网络的输入, 并且评估了睡眠的质量。. 等人?”提出了一种将互信息理论与复杂度相结合的 睡民自动分期方法,该方法首先对多导联脑电数据进行互信息时间序列计算,然 广东工业大学硕士学位论文 后计算互信息时间序列的复杂度,把这些复杂度作为特征送入神经网络训练并识别, 该方法可以达到.%的平均识别率。非线性信号分析方法包括近似熵、样本熵、维数 及指数等,它们都是利用各种非线性的方法得到描述脑系统动力学的参数。 .删及.和.等人,研究了人在睡眠中脑电信号的相关维数: 在睡眠由浅入深的过程中,相关维数的减少意味着大脑的活动自由度减少,表明组成 大脑的单元不断耦合或原来活跃部分的失活。江苏大学和卫星和陈晓平等人利用 近似熵、样本熵、相关维数的多种复杂度的方法进行睡眠分期,得出了随着睡眠的深 入,脑电的复杂度逐渐减小。李谷等人旧,利用希尔伯特.黄变换,提出了脑电信号的 个相对能量特征,以最近邻方法作为分类器,平均正确率可以达到.%。 以上研究表明,脑电生物反馈疗法和睡眠分期的研究尝试不断增多,也取得了一些 可喜的成果,但研究睡眠分期及与睡眠相关的疾病仍是任重道远的。 .课题来源及论文结构 ..课题来源 课题来源于广东省科技计划项目,项目名称:研发型脑电生物反馈针灸治疗仪的 研究与开发编号:。主要完成以下工作: .脑电生物反馈治疗仪的研发,分析了治疗失眠的原理及功效; .对睡眠脑电信号进行处理,包括脑电信号的去噪和基本节律的提取; .以脑电基本节律波和波为特征量,选择样本熵的方法对睡眠脑电进行分期, 提出了一种新的睡眠分期方法。 ..论文结构 论文全文结构安排如下: 第一章,绪论。主要介绍了睡眠和睡眠脑电的基本情况,以及脑电生物反馈的原 理,现今国内外脑电生物反馈的发展现状和睡眠分期的主要方法,课题来源 及论文的 主要研究内容。 第二章,脑电生物反馈治疗仪。介绍了脑电生物反馈治疗仪的研发,治疗失眠的 原理和功效。 第三章,脑电信号分析与处理方法。详细介绍了小波变换理论,时域和频域的脑 第一章绪论 电滤波方法,以及脑电基本节律提取的参数选取。 第四章,脑电信号的去噪与节律提取,研究比较了时域和频域的脑电去噪效果, 分析了脑电信号基本节律的提取效果。 第五章,睡眠脑电节律的分期研究。以脑电信号基本节律为特征,采用样本熵的 方法对睡眠脑电进行分期的研究。 最后给出了结论和展望。 广东工业大学硕士学位论文 第二章脑电生物反馈治疗仪 脑电生物反馈是通过工程技术手段,把脑电信息反馈给受试者,使之用主观意识 对自身脑电活动进行调节,以达到治疗和保健的疗效。它是以现代针灸理论和中医传 统经脉学说为理论依据。本文首先对电针治疗仪的机理和睡眠及睡眠脑电的特点进行 介绍,然后对脑电生物反馈治疗仪的整体架构和功效做了详细的叙述。 .脑电生物反馈疗法的机理 ..电针治疗仪的机理 人是一个大的带电体,人体的神经、器官、肌肉细胞活动,每时每刻都产生着微 弱的充放电现象,它是由人体中一种生物电子的变化而形成的,这些变化是有规律秩 序地进行着汹,。人体的生物电是一个循环传导系统懈,,由三个阶段构成:?细胞间的生 物电传导:细胞膜产生的生物电有两个部分进行传递,一是通过细胞膜外的正负电荷 层向其他细胞传递,二是直接传递到基质中;?系统生物电传导:器官与器官间、器 官与表皮间以及器官与外界构成生物电联系;?各个系统间的生物电传导。人体的整 个生命过程都离不开生物电和生物电子的运动,它始终维持着人体相对的平衡。 从中医经络学角度解析旧,,当身体的某些器官或部位出现异常时,其正常的生物电 也就出现异常,从而引起人体各种不适或疼痛,而外部的电刺激脉冲可以转 化为生物 电而影响组织器官。中医经络理论阐述:经络者,人之元气,伏于气血之中,周身流 行,昼夜无间。又云:经络能够通行气血,沟通上下内外,联络脏腑形体官窍,感应 传导信息,协调阴阳,阻止外邪入侵。人体的经脉系统具有电学的特性,经脉及穴位 较周围皮肤阻抗都比较低,可用针灸、推拿及低频脉冲等物理方法刺激腧穴,达到调 理经络气血的功能。现代科学在微观上进一步证实它们相互作用、相互影响,可以相 互协调,在外力的作用下,自行调整或维持机体的正常状况,还可以同时以各自的方 式反映机体的生理状态。当机体没有能力自己恢复时,就必须借助一些其他的手段如 药物、物理、化学方法助其恢复,而电子技术与医学的结合也是一个非常有效的方法。 因为人体含有水分和各类电荷,绝大多数人体组织都是导电的,特别是经脉。电脉冲 针灸治疗仪就是用电流去刺激病人的特定穴位,它结合了针灸和微电的治疗,其机理 第二章脑电生物反馈治疗仪 是电刺激脉冲可以破坏膜极化状态,引起神经肌肉的兴奋,通过电极微弱脉冲电流作 用于人体,能够逼真地模拟针灸刺激的效果。它体积小、低功耗、操作简单、人机交 互友好、携带方便,便于推广至社区医院或者患者家庭或个人使用,具有很好的经济 效益和产生好的社会效益。 电针治疗仪是将针刺入腧穴等穴位得气后,针具上接通类似人体生物电的微量电 流,结合微电和针灸两种刺激,促使人体恢复正常平衡,达到防治疾病的效果。它的 特点是:.针灸和微电两种相结合的刺激手段,提高了治疗的效果。.能够控制掌握 住电刺激的参数,灵活多变且能精确把握刺激的程度。.代替传统的手法运针,让针 灸变得简便且节省人力等。 电脉冲针灸治疗仪主要作用如下: .消炎:通过刺激人体穴位,电脉冲能促进白细胞的产生,增强白细胞的活力, 增强人体免疫力; .止痛:根据现代医学理论,疼痛多由神经纤维传导,脉冲电针能兴奋神经纤维, 抑制疼痛在纤维中的传导,还能促进毛细血管对出血的吸收以达到消肿的作 用; .镇静:电脉冲的适量刺激,可以对人体大脑皮质起保护性的抑制作用,从而达 到安定镇静的目的; .平衡:利用人体经脉的四通八达,对腧穴进行电脉冲刺激,能对人体的神经、 血液循环等系统起到平衡调整的作用。 在我国电针疗法成形于年代,随着电子技术和半导体材料的迅速发展,藉由高 科技成果引入医学领域,目前电针的类型已从单一的治疗作用发展到诊断等多种功用。 传统的针灸疗法常会发生弯针、折针、晕针等不正常现象;还有许多不易针刺的穴位 如神阙、乳中等;更重要的是传统金属针具稍有不慎就有可能造成血液传染。现代针 灸治疗仪器,基于传统中医理论基础,再与计算机、微电子等多种技术结合开发的功 能全面强大的智能化仪器,以无感染、无痛、无明显禁忌穴、不晕针等优点开始被广 泛的应用于临床治疗上。 ..睡眠脑电 大脑是人类活动的控制中枢,人类所有行为都是由大脑发出脑电信号控制周围神 经及肌肉产生。脑电图是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性的电活动, 反映的是大脑组织的脑电活动及大脑的功能状态,脑电图是以脑细胞电活动的电位作 广东工业大学硕士学位论文 为纵轴,时间作为横轴,临床实践表明,睡眠状态的改变,相应的脑电图也发生变化, 这为研究睡眠提供了有效的观察和判断方法,为预防和治疗与睡眠相关的疾病提供了 有效手段。 脑电波按频率从高到低划分依次为:波卢波, ,波口波,~ ,波波, ,波波,.,如表描述了脑电波的 频段划分以及不同类型脑电波所反映出的脑部精神状态。 表.脑电波频段划分 脑电波 频率范围 精神状态 波 . 深度睡眠,非快动眼睡眠,无意识 波 直觉的,回忆的,幻想,想象,浅睡 口波 放松但不困倦,安静,有意识 运动感觉节律,放松可集中注意力,有协 卢波 调性,思考,对于自我和周围环境意识清 楚机警,激动 脑电生物反馈是根据不同类型病患的不同频段脑电信号的特点进行反馈治疗的, 如从失眠病人的脑电信号中提取波和波,再以某种方式组合,最后转换成电脉冲刺 激失眠患者的穴位,依据经穴.脑电相关理论,这些刺激电脉冲会沿着人体的经脉传入 失眠病人的大脑,从而可以达到治疗失眠的目的。临床上还常用卢波反馈治疗神经衰 弱;用口波反馈治疗精神抑郁症;用波和波联合反馈治疗儿童注意力缺陷/多动症 毛 .曩飘? 而就睡眠研究来说,对睡眠脑电进行评估是一项非常重要的工作。目前国际上普 遍使用的是和提出的睡眠分阶规贝年制定。他们把睡眠分 为觉醒期、非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期,其中又可分为 期、?期、期和?期。年等人又对这一规则作了补充和改善。 ,的发起下,众 年,在美国睡眠医学学会多的睡眠专家共同探讨,最终制定出新的统一的睡眠判读指南哺,。 睡眠脑电在不同的睡眠期所含的脑电基本节律是不同的,基于此通过分析睡眠脑 电对睡眠进行分期研究,判断睡眠质量,为研究治疗与相关睡眠疾病提供有效的手段。 第二章脑电生物反馈治疗仪 ..脑电生物反馈疗法 医学研究表明,,人类的睡眠与大脑内某些神经肽和递质有着密切相关,其神经肽 和递质含量直接影响着睡眠及睡眠结果。针灸治疗可以促使大脑分泌这些神经肽等促 眠物质,但是浓度达不到促眠程度。而显示了人的不同意识状态捕捉到的脑电信 号也不同:熟睡时,脑电信号以波为主,其频率小于;频率为的是波, 主要与临睡状态下的朦胧意识和梦境出现有关。可见,睡眠的深浅决定于中枢内的某 些递质和神经肽的含量,反映于不同的脑电信号。因此,只要能促使大脑分泌这些特 性激素、递质、神经肽等,并使其浓度达到一定程度,不需外源性促眠物质,也能帮 助失眠患者恢复正常的睡眠。基于这种联系,我们对采集来的脑电信号实时分析患者 的睡眠状态,然后以一定模式组合波、日波等有助于睡眠的波转换成电脉冲刺激失 眠病人特定穴,刺激大脑试图诱导或增强在患者大脑中产生波和波,促使机 体分泌 与睡眠相关的神经递质或神经肽并累积而起效,从而达到治疗失眠的目的。研究,表明 脑电生物反馈方法治疗失眠症,效果优于药物治疗。 .整体方案的设计和比较 在我国现代脉冲针灸治疗仪器发展了几十年,但是受国内的工艺水平、性能设计、 产品的先进性、商品整体设计等方面的影响,一直没有特别便捷好用的产品推出。另 外传统中医一直延续着传统的针灸疗法,保持着昌盛不衰,现代脉冲针灸治疗仪并没 有得到广泛的应用。近些年来,随着脑电生物反馈疗法的提出,各种新的刺激波不断 提出,用来治疗疾病成功案例也取得了很大的突破。我们也是根据脑电生物反馈疗法 提出以人体的脑电波波和波为刺激波的治疗仪,它是根据人的睡眠脑电特点而提出 来的。同时研制的新型电脉冲针灸治疗仪,在仪器的性能、功能等方面可以体现出优 势,下面就刺激的医疗波和治疗仪分别做具体的分析。 ..整体方案设计 研制的新型脑电生物反馈治疗仪是基于单片机平台并与脑电生物反馈原理 和多模 式调制脉宽技术相结合,具有许多传统针灸治疗仪无法比拟的优点,性能完善、智能、 便捷,弥补了通过简单电子电路控制输出固定规律的脉冲刺激会使患者的耐受性加强 的不足,仪器以脉冲的形式输出波和波种医疗波,脉冲的个主要参数即脉冲幅广东工业大学硕士学住论文 度、频率、占空比都是可调的。 根据治疗仪功能结构的划分,本文对治疗仪采用模块化设计。整个系统的功能模 块框图如图.所示,在设计过程中,治疗仪分为以下几个功能模块来设计: 图.功能模块框图治疗仪微处理器采用公司的增强型系列单片机芯片,主频 可达到,用户程序空间字节。主控芯片通过读取存储器中波和波的数 据,然后将数字信号送到/芯片转换成模拟信号,通过基于和 的采样保持放大电路,输出要求的脉冲。放大电路可以通过电位器调节放大倍 数,主控芯片可以通过键盘调节脉冲的幅度、频率、占空比。键盘电路可以触发中断, 控制治疗仪的工作模式选取和参数的调节等功能;显示电路可以让液晶屏 显示友好的操作界面,显示治疗仪当前工作模式和工作参数等,脉冲治疗仪样机如图 .所示。 仪器以脉冲的形式输出波和波种睡眠波,脉冲的个主要参数即脉冲幅度、 频率、占空比都是可调的。操作界面简单便捷,容易上手使用,通过键盘选择可以切 换不同菜单,且当前菜单将输出的信息全部显示出,不易弄错,调节幅度和频率等参 数精准无误。 第二章脑电生物反馈治疗仪 西静国囝囝囝黪爆 图.脑电生物反馈治疗仪样机图 ..医疗波的比较 电针治疗仪最重要的就是刺激波,目前市面上常见的医疗波形以低频为主,主要 以连续波、疏密波、断续波等为主,其强度和频率可调。而本项目研制的脑电生物反 馈治疗仪是以人体脑电的波和波为刺激波,脉冲幅度、频率、占空比均可调,与之 有本质的不同。首先我们的波和波是从人的脑电中提取,与人的生物电相差无几, 人体完全能够适应此脉冲的针灸刺激,而常见的低频波总会机体的不适;其次波和 波脉冲幅度、频率、占空比均可调,可以输出不固定的频率、占空比的刺激波,能更 好的避免产生电针耐受现象;最后脑电生物反馈治疗仪机理是根据人的睡眠规律而来, 在睡眠深入时脑电信号中波和波较多,因此用波和日波来刺激从而诱导人脑产生 波和波,这是其他低频波无法比拟的。本小节分别就这些医疗波形的特性作详细分 析,常见的低频波以上海华谊?低频电子脉冲治疗仪图.的输出为例说 明,该仪器可输出连续波、疏密波、断续波三种波,输出脉冲的强度和频率可调,下 面就逐个进行分析:广东工业大学硕士学位论文 图. .低频电子脉冲治疗仪 ?.连续波:连续不断的输出单个脉冲时间为其中单个脉冲的正、负脉冲波宽 各为,固定不变、脉冲与脉冲间距均匀的脉冲波,脉冲幅度变化没规律,波形 如图.所示。可调节频率输出范围为~,且随着 频率的增大,脉冲与脉冲间 距不断减小,可调节频率输出最大时秒钟可输出约个脉冲。 陷』一 ? :. 豳 口 豳一圆 日囿 . ?:图连续波的波形图 .疏密波:周而复始地输出单个脉冲时间为正、负脉冲波宽各为邮,保持 固定不变、脉冲与脉冲间距由疏到密的脉冲波,疏波的脉冲间距均约为频率为 .,持续左右,密波的脉冲间距均约为频率为,持续时间,如 此交替出现,波形如图.所示。 弋莎蕊一/ :. 第二章脑电生物反馈治疗仪 ? 口豳圆 日囿 :图?疏密波的波形图 .断续波:周期性间断地输出单个脉冲时间为、负脉冲波宽各为,保 持固定不变的脉冲波,连续输出..时间的脉冲波约.个,频率约为后, 间断无脉冲输出,如此反复交替,波形如图所示。 .【.』,. ? 圈 葺翟 豳矗圃 ;?‘‘ .一一 :图断续波的波形图 此电子脉冲治疗仪输出的三种波中的单个脉冲共同点:随着可调强度的增大,单 个脉冲中的负脉冲逐渐扁平,正脉冲越陡峭,其中脉冲时间和正、负脉冲波宽 仍然保持不变,如三种波的单个脉冲如图.、.、所示。 ’】?、~..一? : :广东工业大学硕士学位论文 ’ ? :. 一一 :图.连续波的脉冲图 几 ? :.. . 一一 图.疏密波的脉冲图 ?: :. 一一 图断续波的脉冲图 第二章脑电生物反馈治疗仪 脑电生物反馈治疗仪主要是生成波和波,它们的脉冲幅度、频率、占空比都是 可调的,具体的脉冲波形如下图所示: 胁? :. 日囿 垂直乖廿 水平 仅垂直 仅水平 撇肖量 程自设 :图. 波的波形图 几 ? :. ? 团 一一 :仅垂直 仅水平 撤肖量 程自设 图. 波的波形图 ?市面上大部分传统治疗仪使用频率基本固定的电脉冲波,周期重复,很容易使神 经系统疲劳,让人体产生程度不一的耐受性,从而大大减弱疗效。对于人体来说,每 时每刻都是一种新的刺激,我们的治疗仪输出的波和波,它们的脉宽、幅度、频率 完全可调,输出的不是单一的波形,人体来不及适应又进入下一个脉冲了,因此不容 易产生像传统脉冲电针仪那样的耐 受性。广东工业大学硕士学住论文 ..仪器与疗效 本项目研制的一台符合医疗规范和安全规范的脑电生物反馈针灸治疗仪样机,用 于研究治疗失眠症,现已在中山大学附属医院做动物医学实验,项目名称为研发型脑 电生物反馈针灸治疗仪对治疗失眠大鼠的基础研究,属广东省科技计划项目。实验时 可将将波和日波两种脉冲输出加到电针上,再去刺激大鼠,观察在大鼠大脑内是否会 产生与失眠相关神经肽或递质,如有相关影响,则说明波和波反馈刺激大脑能产生 与失眠相关神经肽或递质,从而影响睡眠。 国内的电针治疗仪存在着许多这样那样的缺陷,比如:功能单一、人机界面不友好、 安全措施不全面、调节参数不精确等。例如电针仪低频电子治疗仪可输出 连续波、疏密波、断续波。其性能如下: 可调脉冲幅度峰值电压, 单个脉冲宽度其中正、负脉冲波宽各为.,固定不变 可调频率范围~ 首先它操作不便捷,均是通过旋钮粗略的调节参数,输出波形的具体参数也不知 道,没有界面的显示,很难找准输出的有效波形等等。而我们的脑电生物反馈治疗仪 可以通过键盘操作,依照界面显示的参数进行细致地调节,并实时显示当前的输出波 形,当切换波形时也只需通过按钮进行操作,可以简单安全便捷的使用。 从疗效上来看,实验表明普通电针治疗仪的最佳疗效睡眠时间为..分钟, 而本项目研制的新型脉冲针灸治疗仪的最佳疗效占空比%的睡眠时间为 ..分钟,较之普通电针有明显的提高。因此,脑电生物反馈治疗仪从输出波、 仪器操作、疗效等方面都有取得很好的成果。 .本章小结 本章介绍了脑电生物反馈疗法的机理,论证了脑电生物反馈治疗仪的可行性,同时 就研制的治疗仪与市场的治疗仪从医疗波形和仪器的实用性进行了比较,表明研制的 仪器和实验疗效都有着很好的优越性。 第三章脑电信号分析与处理方法 第三章脑电信号分析与处理方法 本章介绍脑电信号的特点,给出脑电信号的分析方法原理包括脑电信号的去噪和 基本节律的提取。 .脑电信号的特点 分析和处理脑电信号首先需要了解脑电信号的特点,这样便于选择适当的处 理方 法,故首先讨论脑电信号的特点。 临床上记录的脑电信号非常微弱,处于微伏的级别,并且数据背景噪声很强,主要 有工频干扰、尖脉冲和白噪声等,同时脑电信号中混杂了大量的心电、肌电以及眼动 干扰。另外,脑电信号随机性强,很难用数学函数准确表达出来,它们的规律需要从 大量的统计结果中反应出来。现代科学论证脑电信号是由大量的神经细胞非线性耦合 而成,它是高度非线性的多单元连接的复合体。大脑是一个复杂的、自组织的非线性 动力学系统。其信号特点,具体主要有以下几点: ?.微弱性:生物医学信号都非常的微弱,如电压信号大都在微、毫伏量级,脑电 信号为微伏级别,一般在~之间。 ?.低信噪比:生物医学信号中存在着很强的背景噪声,通常背景噪声超过了脑电 信号,而且背景噪声的成分非常复杂,有心电、肌电、眼电等。 ?.随机性:脑电信号是一种随机性很强的非平稳信号。这是因为生物体是一个许 许多多的基本系统组成的庞大系统,这些基本系统之间的生理活动是相互影 响、相互 渗透地交织在一起。由于影响因素太多,其规律还未得到清晰的认识,因而脑电信号 表现出明显的随机性,其规律主要通过大量统计的结果总结出来的。 ?.频域特征突出:脑电信号属于低频率的慢变信号,频率范围为.~,其中 .?尤其重要,通过频率谱和其他频域分析技术是处理脑电信号的重要手段。 ?.多导性:脑电信号是由多电极测得的多导信号,它们之间存在着非常重要的互 信息。揭示这些互信息和发掘隐含在多导脑电信号之间的特征,是目前热点研究之一。 由脑电的特点可以看出,在对睡眠脑电信号进行分析前需要对其进行预处理,去除 脑电信号的噪声是分析脑电信号的首要步骤。根据脑电信号频域的特点可用频域分析 方法对其进行基本节律提取,又因为脑电信号的随机性特征可借助统计处理技术、辨 广东工业大学硕士学位论文 识和评估它的特性。同时脑电是时变、非平稳的信号,分析方法不能单方面只考虑时 域或频域分析方法,传统的时域分析或频域分析方法,只是对信号整个时间跨度或频 率内的频谱特性和波形进行分析,不能体现出某一时间段或者具体某一时刻 信号的频 率成分,更不用说信号中各频率的能量分布情况。因此,对于脑电信号这种频率特征 随时间变化的信号,传统的时域分析或频域分析是不能比较准确地表征信号的,而要 同时兼顾频域和时域来分析。目前已经有了比较成熟的小波变换处理方法,它可以同 时从时、频域来表征信号的局部特征。 .脑电信号处理方法 脑电信号属于非平稳、时变的信号,从处理过程来看,主要有数字滤波处理,用来 去除脑电信号中的噪声;波形检测和特征提取,用来检测特殊的波出现和提取脑 电的基本节律;分类识别和处理,通过明显的特征量用来区分不同状态下的脑电波, 可分析和探索脑电秘密。从处理方法来分哺”,主要有四类:时域或频域的分析方法, 其中以时域方法中的傅里叶变换尤为特出,频域方法以功率谱为代表,他们都可以用 来去除脑电中噪声或检测波形等;时频域分析方法,例如小波变换,可以用来去噪、 特征提取等;非线性动力学方法,利用脑电系统的混沌性,寻找到合适的非线 性指 标来进行分析,用来表征不同的脑电状态;模式识别和人工神经网络的方法,首先 建立模型,再对其进行研究,选择合适的参数等,可以用来识别脑电的多种状态等。 下面就这些理论分别作简要介绍: ..时域或频域的分析方法 脑电信号处理方法最早是从时域提取特征发展起来的,由于它方法具有很强的直观 性、明确的物理意义,同时在是时域上能突出反应某些重要信息如癫痫脑电中的棘慢 波,因此在定量化分析脑电信号中时域的分析方法占有着重要地位。时域的分析方法 的思路是:先提取脑电的基本波形,然后计算其特征参数,由此得到对应的特征表述, 最后进行判别。常用的时域参数有幅值、波形的持续时间等。然而时域分析方法没有 考虑脑电信号在频率上的分辨率,不能够直观的反应出大脑各个区域的脑电活动情况。 时域中常用傅里叶变换的方法对信号进行去噪,它是根据脑电信号大部分的噪声信号 均处在高频部分,而有用信号频谱分布于一个有限区间~,它是先将脑电信号 由时域变换到频域,再在频域中通过低通滤波器进行区间的滤波,把高频噪声滤掉, 第三章脑电信号分析与处理方法 就得到低频的有用脑电信号,再进行傅立叶反变换,得到时域的脑电信号,从而达到 去噪的效果。 频域分析脑电信号的方法主要是基于各频段功率、相干等,它假设脑电信号具有平 稳特性,且只是考虑了脑电信号的频域信息,忽略脑电信号在时间上的分辨率。其中 主要手段是功率谱估计,它能把脑电波的幅度随时间的变化转换为脑电的功率随频率 变化的谱图。但是脑电是时变的、非平稳的信号,在不同的时刻有着不同的频率成分, 单从时域或频域一个角度来分析和表示脑电信号是不能够准确表达出来的,并且在 中许多病态的信号是以瞬态形式表现的,需要结合时间和频率同时进行分析和处 理,才能取得更好的分析效果。 ..时频域的分析方法 脑电信号是时变的、非平稳的信号,对其进行时频域分析的方法目前主要有 分布和小波变换。 分布是在年维格纳从量子力学角度提出的,它最大的优势是具有最简 单的形式可以同时进行时域和频域分析,而且它的各阶矩具有明确的物理意义。信号 的分布定义为: 鼍 . ,/’/一朋巩 一? 实际计算分布,需要对时间和频率离散化,且需对信号渺加窗。 分布可将一维时域或频域信号映射为时间.频率平面的二维信号,这样具有了更多可利 用的性质,如:对称性、时移性、频移性等。通过分布的分析可以求出信号的 频率变化情况,还可以对脑电信号进行分类和识别。但其缺点是不同的频率成分会引 起交叉项干扰,它常用于检测尖波、癫痫棘波和棘尖波。 ,技术是近些年发展起来的信号分析理论,是目 小波变换前常用的时频分析方法,已广泛应用于各个领域,有着“数学显微镜之称,其基本 思想是用一簇函数去表示或逼近一信号或函数,这一簇函数称为小波函数系。它是通 过一基本小波的平移和伸缩构成的,用其变换系数即可描述原来的信号。 小波变换可以很好的适应时变的、非平稳的脑电信号,把脑电信号在小波域 的多个 尺度上进行分解,可对脑电信号进行模式识别、奇异性检测、滤波等处理。具体的步 骤为: 广东工业大学硕士学位论文 选择基本小波驴,满足条件:在时域的积分为零,如式.所示: . 缩放、平移基本小波?,使基本小波变换为一组函数族巾曲,如式所示, 其中和分别为伸缩因子尺度和平移因子; 巾口,:下审??,口? . 对脑电信号‖进行小波变换,如式所示:‖口,万卜,?二,西 小波变换是将脑电信号‖确定在不同的子频带中,调节信号在频域方面的局部 化,而调节信号在时域方面的局部化。实际计算是采用多分辨率二进离散小波变换 的快速算法,对脑电信号进行逐步分解得到: , ?夕工?/ 式中,三为分解层数,彳 为逼近分量,马为不同尺度下细节分量,设信号的采 样率为石,则彳 ,仇,现...各分量所对应的子频率依次: 【’刍】刍,争】,【参,刍】,..“砉,争】,对应的逼近系数及各层小波系数记作 .,,“也...,。根据小波变换的特点可将脑电信号分解成不同尺度上的精细 结构 信号和不同分辨率的逼近信号,三级分解关系如图.所示: 图. 小波分解三层关系图 第三章脑电信号分析与处理方法 小波变换具有多分辨率分析的特点和良好的时频域局部化特性,它能够对信号的高 频成分使用逐渐尖锐的时间分辨率以便移近观察信号的快变成分,对低频成分使用逐 渐尖锐的频率分辨率以便移远观察信号的慢变成分。因此小波这种“既见树木又见森 林”的信号分析方法非常适合分析脑电这类非平稳信号,本文主要采用的就是小波变 换的方法对脑电信号进行去噪和基本节律提取,故详细的理论及应用见后文。 ..非线性动力学方法 非线性动力学方法用来分析脑电信号,它可以描述单个神经元及神经核团的脑电活 动,这主要是基于生物医学过程的混沌性。因为脑电信号是一个高度非线性系统,在 不同的脑电状态下,例如在睡眠期的脑电由于不受主观思维的干扰,相对清醒时要简 单一些,更能客观的反映对睡眠的控制特性,所以非线性动力学方法可以用来分析脑 电信号,尤其是睡眠的研究。研究表明,的不同非线性参数可以鉴别不同的脑神 经活动,这为研究大脑功能提供了新的方法和道路。近些年来随着非线性动力学理论 的发展及其在生物医学领域应用,其中非线性的方法得到的描述脑系统动力学的参数: 熵、维数及指数等都已广泛应用于睡眠脑电的研究。本文在第五章会对样本 熵的理论应用于睡眠分期研究进行详细分析。 ..人工神经网络方法 人工神经网络是一种新兴的研究方法,是人类在对大脑及大脑神经网络若干基本特 性的抽象和模拟,是人工构造的能够实现某种功能的网络。它由大量的简单处理单元 相互连接而成的复杂网络,具有高度的非线性、能够进行复杂的逻辑操作和实现非线 性关系的系统。使用人工神经网络方法可实现对脑电信号的非线性预测;脑电信号的 专家诊断;以及利用高阶多层神经网络进行脑电信号的特征提取。人工神经网络的方 法已广泛应用于模式识别,特征提取等领域。广东工业大学硕士学位论文 .小波理论 ..连续小波变换及其时频特征 以为基的积分连续小波变换: . %咖 啄融口一; 甲学协 式中:称为尺度因子,而/口相当于频率;称为平移量。 先假设把为时域中心,勇/缸口口缸就是,的时域宽度,’。则 为时域中心;从频域的方面来考察参数和对的频域特性所产生的影响:根据 尺度伸缩的特点厂似?击厂竺,如果?是的中心频率,那么频率窗口的宽 “ ’ ’ 度为??,则求得。的频率宽度:。:一,中心频率则是:‘。,竺。由上面的讨 论可知,当参数、是确定的,要/波变换呒口,的值可看成是 通过一个矩形时频窗,