一种新颖的反馈电刺激装置研制与应用

1．4 刺激波形的产生

本文提出的个性化神经反馈失眠治疗装置，是由一个CPU为C8051的单片机控制的。C8051单片机内部集成了一个12位模／数转换器、5个通用16位定时器、内部可编程振荡器、低功耗128 B的非易失数据存储以及丰富的输入输出资源，扩展系统中还包含64 KB的随机存取存储器RAM和64 KB的只读存储器ROM。运用系统中的数／模转换电路通过编程可以产生方波、三角波和正弦波等不同波形和参数的刺激模式，通过在程序中加人延时程序可以改变刺激波形的频率，通过改变数／模转换的数字信号值调节刺激波形的幅度。

利用单片机内部可编程振荡器作为单片机系统时钟，内部的参考电压作为数／模转换电路的参考电压，其中数／模转换电路的寄存器的值分别在定时器的中断服务程序中设定，并启动转换，转换结果经过由功率放大器进行幅度放大。

1．5 刺激模式的确定

根据睡眠深度的定量评价值，可以采取不同的刺激策略。

(1)如果是首次刺激，预先确定一个固定的刺激模式作为起始刺激。该起始刺激根据回归复杂度的大小来确定，当回归复杂度小于0．2时，无需刺激；当回归复杂度大于等于0．2且小于0．4时，采用1 Hz，1 V的正弦波作为起始刺激；当回归复杂度大于等于0．4且小于0．6时，采用5 Hz，5 V的正弦波作为起始刺激；当回归复杂度大于等于0．6时，采用10 Hz，10 V的正弦波作为起始刺激。

(2)如果目前实施的刺激不是首次刺激，则通过将本次刺激与上次刺激产生的睡眠效果相比较而确定。

①如果发现本次刺激随着刺激参数的改变，第一次判定为睡眠质量有所改善，则维持这个刺激模式。

②如果在本次刺激模式条件下已是第二次判断为改善，则对该刺激模式进行步进递增，该步进递增，是指在容许的刺激参数范围内对刺激频率和刺激幅度分别增加1 Hz和1 V，如果对该波形使用的刺激参数已到容许的最大值，则换下一种波形从1 Hz，1 V重新开始。

③如果发现本次刺激随着刺激参数的改变，第一次判定为睡眠质量有所下降，则取消这次参数调整，回到先前的刺激模式。

④如果在本次刺激模式条件下已是第二次判定为睡眠质量下降，则对本次刺激模式进行步进递减，该步进递减，是指在允许的刺激参数范围内对刺激频率和刺激幅度分别减少1 Hz和1 V，如果对该波形使用的刺激参数已减到允许范围内的最小值，则依次换一种波形从允许的最大值重新开始。

(3)按照确定的刺激模式，对受试者实施新一轮的60 s电刺激。

上述刺激也可以采用图3说明。刺激模式包括波形和参数，本系统所用的波形共有三种，依次为：方波、正弦波、三角波；参数每调整一次，就要在刺激60 s后反馈采集12 s脑电信号，分析了解刺激模式调整对睡眠的影响，即将本次刺激与前次刺激对睡眠的影响进行对比，决定下一步刺激模式的调整。



2 结果与讨论

经两例实验测试表明，系统能有效改善失眠症状，提高睡眠质量。系统取得良好矫治效果的原因包括：

(1)电极在头皮上的分布位置安排是综合考虑了脑电采集、刺激效果和临床应用的便利等多个因素的；

(2)采用脑电回归复杂度计算算法确定睡眠质量，耗时少，可达到实时处理脑电的要求；

(3)脑部电刺激和脑电采集是通过同一组电极完成的，使放置在受试者头皮上的电极大幅度减少，更切合临床应用实际；

(4)比较刺激参数调整前后睡眠质量的改变，决定刺激参数的调整策略，这个反馈治疗方法与装置完全是个性化的，克服了过去失眠治疗仪刺激方法和参数千人一律的不科学状况；

(5)本文所提方法是用脑电来定量监测睡眠质量，在睡眠好时，可能不产生刺激或产生的刺激会进一步维持这个好的睡眠；在睡眠不好时，会有多种刺激模式可自适应改变，包括刺激的波形(如三角波、矩形波、正弦波)和刺激参数(包括幅度、频率等)，脑刺激的效果随时受脑电监控，矫治效果是可以得到保证的。

本系统的抗干扰性能可通过软硬件结合的综合措施予以保证。在输入级采用差动放大电路，该差动放大电路有良好的共模抑制比，一般达80～90 dB o在程序设计时，多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些空指令，或将有效单字节指令重复书写；在双字节和三字节指令之后插入单字节空指令操作，来保护在单片机CPU受到干扰时，程序可能出现的错误转移。当程序在受干扰的情况下可能转移到非程序区，指令冗余不再起作用，而软件陷阱可利用一条引导指令，强行将捕获的程序引向出错处理程序。软件陷阱一般安排在未使用的中断向量区，未使用的大片只读存储器ROM空间、程序区的断裂点处。由于采取了这些措施，有效防止了干扰对本系统的影响。

当然，本文提出的系统还需要进一步的临床研究和验证，其进一步完善是必要的。