一種新穎的反饋電刺激裝置研制與應(yīng)用

　　0 引 言

　　隨著人類社會的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏愈來愈快，精神壓力越來越大，越來越多的人出現(xiàn)了睡眠障礙。研究表明，睡眠效果的判定，不僅要看睡眠時間的長短，更重要的是要看睡眠的深度。

　　治療睡眠障礙的首選方法無疑還是藥物，但用藥物糾正睡眠障礙對人體形成的危害越來越引起關(guān)注。除藥物副作用外，藥物依賴也是一個重要問題。近年來，非藥物治療睡眠障礙的方法得到重視，目前，非藥物治療睡眠障礙的方法主要包括基于中醫(yī)理論的穴位刺激法、大腦電磁刺激法、大腦聲光刺激法等。這些方法的共同缺點是治療中刺激的參數(shù)對所有患者都是一樣的，很難針對特定患者個體確定合適的刺激參數(shù)。另外，由于這些方法的作用機(jī)制尚不明了，不同方法的治療效果因不同的個體而異，確切療效尚待進(jìn)一步證實。目前，還未見有一種儀器能根據(jù)患者的睡眠進(jìn)程狀態(tài)和睡眠時所表現(xiàn)的個體差異產(chǎn)生自適應(yīng)的刺激模式，從而改善睡眠的報道。

　　本文提出一種由計算機(jī)與腦信息交互實現(xiàn)對睡眠障礙的神經(jīng)反饋治療裝置，試圖研制一種個性化睡眠障礙矯治儀器。

　　1 方法

　　1．1 系統(tǒng)概述

　　近年來，睡眠腦電的研究取得了很大進(jìn)展。根據(jù)睡眠腦電的分析，已可定量判斷睡眠的質(zhì)量。人們通過不同方法，如時頻分析、小波變換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息熵等理論對睡眠腦電進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)隨著睡眠深度的增加，睡眠腦電具有明顯不同的特征。目前在國際上通行的睡眠分類，就是按照腦電圖的特征將睡眠分成所謂的快眼動(Rapid Eye Movement，REM)睡眠和非快眼動(Non-rapid Eye Movement，NREM)睡眠兩大類，而NREM睡眠又可分為程度不同的四個期，按其深度分別標(biāo)為一期、二期、三期和四期，加上睡前清醒期，睡眠共可分為六個不同的狀態(tài)。最近的研究表明，隨著睡眠的加深，睡眠腦電的回歸復(fù)雜度持續(xù)下降，睡眠腦電的回歸復(fù)雜度可作為衡量睡眠質(zhì)量一個簡單而實用的指標(biāo)。

　　基于上述分析，提出一種基于睡眠深度定量分析的個性化自適應(yīng)神經(jīng)反饋電刺激睡眠障礙治療裝置。第一，用安放在人體頭部的電極提取受試者12 s的腦電信號，并進(jìn)行放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換；第二，提取受試者不同睡眠期四道腦電回歸復(fù)雜度的平均值，該平均值即是睡眠深度的量化結(jié)果；第三，根據(jù)受試者睡眠深度的定量值，經(jīng)過分析生成下一次電刺激的刺激模式，包括刺激波形和波形參數(shù)；第四，在該模式下的刺激信號通過與腦電采集時的同一組電極，作用于腦部，60 s后停止刺激，開始再次采集12 s腦電并計算回歸復(fù)雜度，了解新刺激條件下睡眠質(zhì)量的定量值，對比本次刺激與前次刺激對睡眠的影響情況，決定下一步刺激模式的調(diào)整方案。系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

　　1．2 腦電提取與放大

　　腦電提取所用電極是采用Ag／Cl圓盤電極，分別置于頭皮頂葉的四個部位F3，F(xiàn)4，C3，C4處，參考電極A1和A2則置于耳垂。借助于一個雙向電子開關(guān)74LS245，利用放置在受試者頭皮的同一組電極，交替執(zhí)行12 s腦電采集和60 s大腦刺激任務(wù)。雙向電子開關(guān)74LS245開通的方向是由CPU的一個輸入／輸出端口控制的。

　　腦電放大器的第一級由運放電路構(gòu)成電壓跟隨器，以提高放大電路的共模抑制比和輸入阻抗。考慮到供電與功耗的問題，放大電路可選用微功耗可低電壓工作的四運放運算放大器芯片LM324，其結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低。放大電路的第二級選用了功率放大芯片LM386。后級是一個帶通濾波器，通帶為0．5～70 Hz，可以濾除腦電的高頻分量和一些高頻干擾信號。電路中應(yīng)設(shè)置60 Hz工頻濾除電路，即工頻陷波。經(jīng)過放大調(diào)理后的腦電信號，幅值應(yīng)在0～5 V之間。

　　1．3 回歸復(fù)雜度

　　對于N點的原始一維時間序列，如腦電圖時間序列ui，通過時間延遲的方法，可以重建得到一組相空間中的向量：

　　式中：τ是延遲時間；m是嵌入維數(shù)。

　　將上述向量采用如下所述的的算法在二維平面上展示出來，進(jìn)而分析該序列的相關(guān)特性和二維圖中每一點表示的時間i和時間j之間是否存在著復(fù)原關(guān)系，這樣的二維圖稱之為回歸圖。

　　在數(shù)學(xué)上，回歸圖計算公式可以表示為：

　　式中：εi是截止距離；||·||表示范數(shù)；@(z)是Heavi-side函數(shù)

　　本裝置所進(jìn)行的計算中，嵌入維數(shù)m和時間延遲τ均取3，截止距離εi取所有向量距離中最大值的5％。在按上述方法得到腦電的回歸圖后，定義回歸復(fù)雜度為回歸圖上回歸點所占的比例：

　　該回歸復(fù)雜度的取值在0～1之間。根據(jù)回歸復(fù)雜度與睡眠的深度基本成正比的關(guān)系，可判斷睡眠質(zhì)量越好，回歸復(fù)雜度越小；睡眠質(zhì)量越差，回歸復(fù)雜度越大。圖2(a)為睡眠質(zhì)量較高時，回歸復(fù)雜度為0．17的回歸圖；圖2(b)為睡眠質(zhì)量不高時，回歸復(fù)雜度為0．71的回歸圖。

　　根據(jù)計算的腦電信號的回歸復(fù)雜度指數(shù)值，直接將睡眠的深度量級用回歸復(fù)雜度指數(shù)代表。即提取受試者不同睡眠期四道腦電回歸復(fù)雜度的平均值，該平均值是睡眠深度的量化結(jié)果。

　1．4 刺激波形的產(chǎn)生

　　本文提出的個性化神經(jīng)反饋失眠治療裝置，是由一個CPU為C8051的單片機(jī)控制的。C8051單片機(jī)內(nèi)部集成了一個12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、5個通用16位定時器、內(nèi)部可編程振蕩器、低功耗128 B的非易失數(shù)據(jù)存儲以及豐富的輸入輸出資源，擴(kuò)展系統(tǒng)中還包含64 KB的隨機(jī)存取存儲器RAM和64 KB的只讀存儲器ROM。運用系統(tǒng)中的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路通過編程可以產(chǎn)生方波、三角波和正弦波等不同波形和參數(shù)的刺激模式，通過在程序中加人延時程序可以改變刺激波形的頻率，通過改變數(shù)／模轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號值調(diào)節(jié)刺激波形的幅度。

　　利用單片機(jī)內(nèi)部可編程振蕩器作為單片機(jī)系統(tǒng)時鐘，內(nèi)部的參考電壓作為數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路的參考電壓，其中數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路的寄存器的值分別在定時器的中斷服務(wù)程序中設(shè)定，并啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過由功率放大器進(jìn)行幅度放大。

　　1．5 刺激模式的確定

　　根據(jù)睡眠深度的定量評價值，可以采取不同的刺激策略。

　　(1)如果是首次刺激，預(yù)先確定一個固定的刺激模式作為起始刺激。該起始刺激根據(jù)回歸復(fù)雜度的大小來確定，當(dāng)回歸復(fù)雜度小于0．2時，無需刺激；當(dāng)回歸復(fù)雜度大于等于0．2且小于0．4時，采用1 Hz，1 V的正弦波作為起始刺激；當(dāng)回歸復(fù)雜度大于等于0．4且小于0．6時，采用5 Hz，5 V的正弦波作為起始刺激；當(dāng)回歸復(fù)雜度大于等于0．6時，采用10 Hz，10 V的正弦波作為起始刺激。

　　(2)如果目前實施的刺激不是首次刺激，則通過將本次刺激與上次刺激產(chǎn)生的睡眠效果相比較而確定。

　　①如果發(fā)現(xiàn)本次刺激隨著刺激參數(shù)的改變，第一次判定為睡眠質(zhì)量有所改善，則維持這個刺激模式。

　　②如果在本次刺激模式條件下已是第二次判斷為改善，則對該刺激模式進(jìn)行步進(jìn)遞增，該步進(jìn)遞增，是指在容許的刺激參數(shù)范圍內(nèi)對刺激頻率和刺激幅度分別增加1 Hz和1 V，如果對該波形使用的刺激參數(shù)已到容許的最大值，則換下一種波形從1 Hz，1 V重新開始。

　　③如果發(fā)現(xiàn)本次刺激隨著刺激參數(shù)的改變，第一次判定為睡眠質(zhì)量有所下降，則取消這次參數(shù)調(diào)整，回到先前的刺激模式。

　　④如果在本次刺激模式條件下已是第二次判定為睡眠質(zhì)量下降，則對本次刺激模式進(jìn)行步進(jìn)遞減，該步進(jìn)遞減，是指在允許的刺激參數(shù)范圍內(nèi)對刺激頻率和刺激幅度分別減少1 Hz和1 V，如果對該波形使用的刺激參數(shù)已減到允許范圍內(nèi)的最小值，則依次換一種波形從允許的最大值重新開始。

　　(3)按照確定的刺激模式，對受試者實施新一輪的60 s電刺激。

　　上述刺激也可以采用圖3說明。刺激模式包括波形和參數(shù)，本系統(tǒng)所用的波形共有三種，依次為：方波、正弦波、三角波；參數(shù)每調(diào)整一次，就要在刺激60 s后反饋采集12 s腦電信號，分析了解刺激模式調(diào)整對睡眠的影響，即將本次刺激與前次刺激對睡眠的影響進(jìn)行對比，決定下一步刺激模式的調(diào)整。

　　2 結(jié)果與討論

　　經(jīng)兩例實驗測試表明，系統(tǒng)能有效改善失眠癥狀，提高睡眠質(zhì)量。系統(tǒng)取得良好矯治效果的原因包括：

　　(1)電極在頭皮上的分布位置安排是綜合考慮了腦電采集、刺激效果和臨床應(yīng)用的便利等多個因素的；

　　(2)采用腦電回歸復(fù)雜度計算算法確定睡眠質(zhì)量，耗時少，可達(dá)到實時處理腦電的要求；

　　(3)腦部電刺激和腦電采集是通過同一組電極完成的，使放置在受試者頭皮上的電極大幅度減少，更切合臨床應(yīng)用實際；

　　(4)比較刺激參數(shù)調(diào)整前后睡眠質(zhì)量的改變，決定刺激參數(shù)的調(diào)整策略，這個反饋治療方法與裝置完全是個性化的，克服了過去失眠治療儀刺激方法和參數(shù)千人一律的不科學(xué)狀況；

　　(5)本文所提方法是用腦電來定量監(jiān)測睡眠質(zhì)量，在睡眠好時，可能不產(chǎn)生刺激或產(chǎn)生的刺激會進(jìn)一步維持這個好的睡眠；在睡眠不好時，會有多種刺激模式可自適應(yīng)改變，包括刺激的波形(如三角波、矩形波、正弦波)和刺激參數(shù)(包括幅度、頻率等)，腦刺激的效果隨時受腦電監(jiān)控，矯治效果是可以得到保證的。

　　本系統(tǒng)的抗干擾性能可通過軟硬件結(jié)合的綜合措施予以保證。在輸入級采用差動放大電路，該差動放大電路有良好的共模抑制比，一般達(dá)80～90 dB o在程序設(shè)計時，多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方人為插入一些空指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫；在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入單字節(jié)空指令操作，來保護(hù)在單片機(jī)CPU受到干擾時，程序可能出現(xiàn)的錯誤轉(zhuǎn)移。當(dāng)程序在受干擾的情況下可能轉(zhuǎn)移到非程序區(qū)，指令冗余不再起作用，而軟件陷阱可利用一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向出錯處理程序。軟件陷阱一般安排在未使用的中斷向量區(qū)，未使用的大片只讀存儲器ROM空間、程序區(qū)的斷裂點處。由于采取了這些措施，有效防止了干擾對本系統(tǒng)的影響。

　　當(dāng)然，本文提出的系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的臨床研究和驗證，其進(jìn)一步完善是必要的。