脑波治疗仪的脑波音乐软件研究

脑波治疗仪的脑波音乐软件研究 研制fDevelopmentReport 脑波治疗仪的脑波音乐软件研究 牛智伟,孟立凡,高晓剑,董春秋 (中北大学电子测试技术国家重点实验室信息与通信工程学院,太原030051) 【摘要】目的:提出一种基于单片机的脑波音乐合成的软件设计方案.方法:在分析 脑波仪音乐治疗原理的基础上,分 析对比几种声音合成方案,选择一种简单易于实现的方案,对其进行详细分析.最 后对输出脑波音乐进行了测试和误 差分析.结果:所提方案能够有效产生脑波音乐信号.结论:依据该方案就能够使用 普通的单片机实现成本低廉,性能 可靠的脑波治疗仪. 【关键词】脑波;单片机;DDS 【中图分类号]TH772.2;TP311.52【文献标志码lA【文章编号]1003—8868(2008)10 —0052—02 StudyonBrainwaveMusicSoftwareofBrainwaveTherapeuticApparatus NIUZhi—wei,MENGLi—fan,GAOXiao-jian,DONGChun—qiu (NationalKeyLaboratoryofElectronicMeasurementTechnology,NoahUniversityofChin a,Taiyuan030051,China) AbstractObjectiveToputforwardadesignofthesoftwareofbrainwavetherapeuticapparatus basedontheMCU. Md蛐 Basedonprincipleofelectroencephalogrammusictreatment.severalsoundsynthesistechni queswel'eanalyzed andcontrasted.Asimpleandeasily— realizedonewasselectedandanalyzedindetail.Finally.theoutputofbrainwave therapeuticapparatuswastestedanderrorswereanalyzed.R髓l岫 Theselectedschemecaneffectivelygeneratebrainwave music.C伽Ic】商mAccordingtothescheme.alow— costandreliablebrainwavetherapeuticapparatuscanbemadebyusing theMCU.[chineseMedicalEquipmentJournal,2008,29(10):52-53】 Keywordsbrainwaves;MCU;DDS 1前言 依据现代脑电生理神经心理学的研究.脑波活动依据特 定波长主要分为4组模式:口,a,0,8,脑波活动的某一模式与特 定的精神状态相关联.脑波治疗仪是新型的医疗仪器,它依据 脑波同步及频率引导原理,采用生物信息模拟技术,用计算机 模拟各种频率的脑电波,并调制成脑波音乐信号反馈给使用 者.调节人体的脑电活动水平及兴奋水平,使大脑经常处于特 定的脑波状态lll.目前常用的方法有模拟方式,调用函数算法 数字合成和模拟DDS数字合成,本文采用第三种方案. 2脑波音乐产生原理 在不同的身心状态下,大脑中所呈现的脑波模式各不相 同.目前国际脑波学会针对脑波振动频率的不同,将脑波主 要分为/3,Ot,0,84种类型. 口波:频率大约在14,3OHz之间.当/3波在大脑中成为 优势时,大脑的活动最复杂,精神呈现高度亢奋的状态,对外 界的讯息反应极为迅速,能够适应多重性的工作. 波:频率在9,13Hz之间.脑波为a波时,人会感觉到 身心放松,头脑冷静,精神最能集中,容易闪现灵感和创意. 通常人只要闭上眼睛.就会觉得头脑比较清醒,这是因为大 脑中的波增多了的缘故. 波:频率在4,8Hz之间.大脑中0波占优势时,脑的活 动会逐渐变得平缓,意识开始模糊,进入浅睡或半梦半醒的 状态.由于梦境通常都是发生在这个阶段,因此又将0波称 52 收稿日期:2008-03—20修回日期:2008—07—28 作者简介:牛智伟(1984一),男,山西平遥人,硕士研究生,主要从事精密 仪器与机械方面的研究,Email:nzw2871144@126.cof/1. 医疗卫生装备-2008年10月第29卷第10期 ChineseMedicalEquipmentJournal?Vo1.29No10October2008 为"人梦脑波" 6波:频率在0.5—3Hz之间.这是大脑在做充分休息时 所发出的一种极其缓慢微弱的脑波.此时人处于深沉的睡眠 状态中[21. 因为这些治疗波的频率多处在入耳听觉范围之外,所以 用带有治疗波频率的调幅波来给大脑传递治疗信号,即用治 疗频率的正弦波来对一定频率的载波进行幅度调制来产生 音乐.所以脑波音乐设计的重点就是调幅波的产生. 2.1方案比较 调幅波的产生主要有以下3种方案: (1)传统信号发生器采用的模拟方式.其优点在于有比 较成熟的技术可供参考,但是在输出信号的精度,灵活度以 及系统的可靠性方面部难以得到较理想效果,同时也给后期 的设备调试和维修带来了诸多隐患. (2)调用函数算法数字合成占用硬件资源少,集成度高, 并且输出信号的精度高,系统升级方便.但是调用函数算法 耗时较长,输出要满足不同频率.调节的脑波音乐需要高频 处理器.一般采用DSP芯片 (3)模拟DDS数字合成.DDS基于先进的频率合成理论, 是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合 成技术_31.采用模拟DDS采样数字合成的方案,能够用简单的 芯片得到精度较高的输出信号,硬件占用少,维修升级方便. 其不足为占用了较多存储空间,但随着微处理器存储容量的 大幅提高,其优点得以凸显.在本设计中所需的调幅波频率 范围不大.所以采用单片机来模拟DDS数字合成调幅波的设 计.该方案将信号产生函数进行简化设计,对处理器的要求 DevelopmentReport1研制报告 不高.8位片机即可实现. 2-2方案实现 调幅波的生成是通过调制信号对正弦载波信号进行幅 度调节来完成的,取得正弦信号是生成调幅波的第一步.在 设汁中为厂简化计算,采用对正弦波进行采样的方法得到正 弦波数据表,然后将数据固化在ROM中.理论上,采样点数 及量化位数越多,合成波形精确度越高.在系统工作时,用查 表法调用正弦波数据计算生成调幅波数据.由于采用8位单 片机.1个字节存储最大数为255,所以对采样值的范围选为 0-255因为单片机无法输出负数,被采样的正弦波信号必 须为非负数,所以设计中调制信号为: "(t)=l+cos(+耵)(1) 载波信号为: (,)=1+COS(wot+'rr/2)(2) 其中,n为调制信号的频率,即脑波频率;60.为载波的频率. 单片机分别取调制信号和载波信号的采样点然后相 乘,得到调幅波数据.此时结果已超出8位单片机的一个 存储的容量,所以取结果的高8位作为输出,所得到 信号: (,):(1+cos(+耵))(1+cos(wt+'rr/2))(3) 采集到的调幅波信号见图1. 图1调幅波 调幅波信号通过外部的高通滤波器,将直流及调制信号 分量滤除,就得到昕需脑波音乐信号: AM (f):(1+cos(~t+v))cos(w0f+盯/2)(4) 脑波音乐的输出波形见图2,其载波频率为330Hz,调 幅信号频率为10Hz. 图2脑波音乐信号 3脑波音乐节目的产生及调节 按照上述脑波音乐的产生的机理,由单片机产生调幅波 数字信号,输出给外部的DAC产生模拟信号,再通过低通滤 波器对信号进行平滑处理,最后经高通滤波及放大电路得到 所需的脑波音乐信号.其中调制信号的频率变化范围为 1,30Hz:载波的频率变化范围90—800Hz,初始频率设定勾 330Hz.下面对腩波音乐信号的频率调节进行介绍: (1)调幅波的载波频率调节.载波频率即脑波音乐的音 调,将音调调整到人耳敏感的范围会使治疗效果更加明显. 人可以听到的声音振动频率范围为20Hz,20kHz,设计要求 频率调节范围为90,800Hz调幅波的载波信号的采样点数 为It,当取到第n点时则载波的1个周期取完.载波频率计 算: . : 者(5) 载波的频率由载波的采样点点数n和取点时间间隔 决定.通过改变采样点点数n来调节频率,需要大量的采样 点,同时取点点数的改变必然带来较大的相位截断误差,会 使输出波形产生较大失真,影响治疗效果.本设计通过改变71 来调节频率,此方法所要求的采样点点数相应减少,采样点 漏取带来的相位截断误差也将减小. (2)调幅波的调制信号频率凋节.在设计中,调幅波的调 制信号决定了脑波音乐的包络,同时确定了脑波音乐的特征 (尤其是治疗的内容).调制信号的频率变化存在特殊规律, 不同的频率变化会带给人不同的治疗效果,所以此频率不能 任意调节.凋制信号频率调节与载波频率调节的原理相同, 参考公式(5).通过计算所需频率对应的时间,将其赋给取 点时间问隔参数,使调制信号频率调到所需频率.调制波的 频率调节范围为130Hz,其频率变化参数已经固化在ROM 中.系统工作时单片机会自动调用调制信号频率变化参数, 产生预定的有治疗效果的脑波音乐信号. 4结果分析 在相应的脑波仪硬件电路上对以上方案进行实验,通过 示波器对实验结果作测量,证明该设备能输出有效频率的脑 波音乐,满足预计的参数,波形无明显失真.图2是采集到的 波形. 实际输出波形有一些误差.其主要来自:(1)由于内部波 形存储器中存储的正弦幅度值是用二进制表示的.对于越过 存储器字长的正弦幅度值必须进行量化处理,这样就引入了 量化误差.幅度量化主要有2种方式,即舍人量化和截尾量 化,这里采用截尾量化方式:(2)DAC非理想转换特性所引起 的杂散水平,DAC的非理想特性包括:DAC的有限分辨位数: 差分,积分的非线性;D/A转换过程中的瞬间毛刺;时钟泄露; 数字噪声馈通;转换速率受限等【;(3)调制信号频率调节过 程中正弦波的各采样点会有漏取点的情况发生.这样就不可 避免地产生相位截断误差. 针对以上问题提出了一些改进的方法:(1)应用更高位 数的单片机和高性能的数模转换器;(2)增大ROM容量及采 样点数.提高幅度分辨率 本文创新点:将新算法应用到脑波音乐的制作中 【参考文献] [11周丽华,吴红霞.强迫症患者脑波治疗前后的脑电分析fJ].齐齐 哈尔医学院,2005,26(6):651. [2】南登岜.实用物理治疗手册【MJ.北京:人民军医出版社,2001. 【3】张俊谟.单片机中级教程【M].北京:北京航空航天大学H{版社, l999. [4】张福贵,姚振东.基丁DDS的高性能信号发生器的实现fJ1.成 都信息_T程学院,2006,21(1):12—17. 『5I王胜勇,韩月秋,陈禾.基于DDS的固定频率正弦信号发生器 的改进.现代电子技术,2006,29(4):11-12,18. 医疗卫生装备?2008年10月第29卷第10期 ChineseMedicaIEquipmentJournaI?Vol29No10October2008U