一种新颖的反馈电刺激装置研制与应用

随着人类社会的发展，人们的生活节奏愈来愈快，精神压力越来越大，越来越多的人出现了睡眠障碍。研究表明，睡眠效果的判定，不仅要看睡眠时间的长短，更重要的是要看睡眠的深度。

治疗睡眠障碍的首选方法无疑还是药物，但用药物纠正睡眠障碍对人体形成的危害越来越引起关注。除药物副作用外，药物依赖也是一个重要问题。近年来，非药物治疗睡眠障碍的方法得到重视，目前，非药物治疗睡眠障碍的方法主要包括基于中医理论的穴位刺激法、大脑电磁刺激法、大脑声光刺激法等。这些方法的共同缺点是治疗中刺激的参数对所有患者都是一样的，很难针对特定患者个体确定合适的刺激参数。另外，由于这些方法的作用机制尚不明了，不同方法的治疗效果因不同的个体而异，确切疗效尚待进一步证实。目前，还未见有一种仪器能根据患者的睡眠进程状态和睡眠时所表现的个体差异产生自适应的刺激模式，从而改善睡眠的报道。

本文提出一种由计算机与脑信息交互实现对睡眠障碍的神经反馈治疗装置，试图研制一种个性化睡眠障碍矫治仪器。

1 方法

1．1 系统概述

近年来，睡眠脑电的研究取得了很大进展。根据睡眠脑电的分析，已可定量判断睡眠的质量。人们通过不同方法，如时频分析、小波变换神经网络、信息熵等理论对睡眠脑电进行了处理，发现随着睡眠深度的增加，睡眠脑电具有明显不同的特征。目前在国际上通行的睡眠分类，就是按照脑电图的特征将睡眠分成所谓的快眼动(Rapid Eye Movement，REM)睡眠和非快眼动(Non-rapid Eye Movement，NREM)睡眠两大类，而NREM睡眠又可分为程度不同的四个期，按其深度分别标为一期、二期、三期和四期，加上睡前清醒期，睡眠共可分为六个不同的状态。最近的研究表明，随着睡眠的加深，睡眠脑电的回归复杂度持续下降，睡眠脑电的回归复杂度可作为衡量睡眠质量一个简单而实用的指标。

基于上述分析，提出一种基于睡眠深度定量分析的个性化自适应神经反馈电刺激睡眠障碍治疗装置。第一，用安放在人体头部的电极提取受试者12 s的脑电信号，并进行放大滤波和模数转换；第二，提取受试者不同睡眠期四道脑电回归复杂度的平均值，该平均值即是睡眠深度的量化结果；第三，根据受试者睡眠深度的定量值，经过分析生成下一次电刺激的刺激模式，包括刺激波形和波形参数；第四，在该模式下的刺激信号通过与脑电采集时的同一组电极，作用于脑部，60 s后停止刺激，开始再次采集12 s脑电并计算回归复杂度，了解新刺激条件下睡眠质量的定量值，对比本次刺激与前次刺激对睡眠的影响情况，决定下一步刺激模式的调整方案。系统的流程图如图1所示。



1．2 脑电提取与放大

脑电提取所用电极是采用Ag／Cl圆盘电极，分别置于头皮顶叶的四个部位F3，F4，C3，C4处，参考电极A1和A2则置于耳垂。借助于一个双向电子开关74LS245，利用放置在受试者头皮的同一组电极，交替执行12 s脑电采集和60 s大脑刺激任务。双向电子开关74LS245开通的方向是由CPU的一个输入／输出端口控制的。

脑电放大器的第一级由运放电路构成电压跟随器，以提高放大电路的共模抑制比和输入阻抗。考虑到供电与功耗的问题，放大电路可选用微功耗可低电压工作的四运放运算放大器芯片LM324，其结构紧凑，功耗低。放大电路的第二级选用了功率放大芯片LM386。后级是一个带通滤波器，通带为0．5～70 Hz，可以滤除脑电的高频分量和一些高频干扰信号。电路中应设置60 Hz工频滤除电路，即工频陷波。经过放大调理后的脑电信号，幅值应在0～5 V之间。

1．3 回归复杂度

对于N点的原始一维时间序列，如脑电图时间序列ui，通过时间延迟的方法，可以重建得到一组相空间中的向量：



式中：τ是延迟时间；m是嵌入维数。

将上述向量采用如下所述的的算法在二维平面上展示出来，进而分析该序列的相关特性和二维图中每一点表示的时间i和时间j之间是否存在着复原关系，这样的二维图称之为回归图。

在数学上，回归图计算公式可以表示为：



式中：εi是截止距离；||·||表示范数；@(z)是Heavi-side函数



本装置所进行的计算中，嵌入维数m和时间延迟τ均取3，截止距离εi取所有向量距离中最大值的5％。在按上述方法得到脑电的回归图后，定义回归复杂度为回归图上回归点所占的比例：




   

该回归复杂度的取值在0～1之间。根据回归复杂度与睡眠的深度基本成正比的关系，可判断睡眠质量越好，回归复杂度越小；睡眠质量越差，回归复杂度越大。图2(a)为睡眠质量较高时，回归复杂度为0．17的回归图；图2(b)为睡眠质量不高时，回归复杂度为0．71的回归图。



根据计算的脑电信号的回归复杂度指数值，直接将睡眠的深度量级用回归复杂度指数代表。即提取受试者不同睡眠期四道脑电回归复杂度的平均值，该平均值是睡眠深度的量化结果。