專利名稱：智能失眠治療儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設(shè)備，尤其是治療失眠的儀器。
背景技術(shù)：
據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，27%的人有睡眠問題。中國睡眠研究會公布的最新睡眠調(diào)查結(jié)果， 中國成年人失眠發(fā)生率為38.2%，高于一些發(fā)達(dá)國家的失眠發(fā)生率。而根據(jù)2006年中國6城 市(北京、上海、廣州、南京、天津、杭州)調(diào)查報告，普通成年人在一年內(nèi)有過失眠的比 例高達(dá)57%，其中53%癥狀超過一年。
失眠通常指患者對睡眠時間和或質(zhì)量不滿足并影響白天社會功能的一種主觀體
驗。按臨床表現(xiàn)分類①睡眠潛入期入睡時間超過30分鐘；②睡眠維持夜間覺醒 次數(shù)超過2次或凌晨早醒；③睡眠質(zhì)量多惡夢； 總的睡眠時間少于6小時；⑤日間 殘留效應(yīng)次晨感到頭昏，精神不振，嗜睡，乏力等。按病程分類 一過性或急性失眠， 病程小于4周；短期或亞急性失眠，病程大于4周小于3 6個月；長期或慢性失眠， 病程大于6個月。按嚴(yán)重程度分類輕度。偶發(fā)，對生活質(zhì)量影響??；中度，每晚發(fā)生， 中度影響生活質(zhì)量，伴一定癥狀(易怒、焦慮、疲乏等)；重度，每晚發(fā)生，嚴(yán)重影響生 活質(zhì)量，臨床癥狀表現(xiàn)突出。
醫(yī)學(xué)研究表明，偶爾失眠會造成第二天疲倦和動作不協(xié)調(diào)，長期失眠則會帶來注意力不 集中、記憶出現(xiàn)障礙和工作力不從心等后果。此外，失眠與軀體疾病關(guān)系密切，睡眠不足會 使人免疫力下降，抗病和康復(fù)疾病的能力降低，容易感冒，并加重其他疾病或誘發(fā)原有疾病 的發(fā)作，如心血管、腦血管、高血壓等疾病。實踐還證明，手術(shù)后的病人如睡眠不好，傷口 愈合的時間會明顯延長。兒童如患有嚴(yán)重睡眠不足，會影響其身體發(fā)育。另外，沒有健康的 睡眠還會產(chǎn)生不少社會問題。
相關(guān)研究表明，正常的睡眠一般都包括從清醒到入睡，從淺睡到深睡的過程。在 此過程，腦電波呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。這種規(guī)律性總結(jié)起來，就是:清醒興奮狀態(tài)下，
腦電波以低幅的P波為主，頻率在14-30Hz;淸醒安靜時，腦電波以a波為主，頻率 8-13Hz，幅度稍高；剛?cè)胨瘯r，進(jìn)入睡眠l期，腦電波中a波逐漸消失，出現(xiàn)e波并逐 漸變?yōu)橐詄波為主，其頻率范圍為4-7Hz;當(dāng)睡眠逐漸加深，進(jìn)入睡眠ll期，腦電圖在以e波為主的背景下反復(fù)出現(xiàn)睡眠紡錘波，其持續(xù)時間為O. 5秒，間隔為2-5秒，載 波頻率為12 — 14Hz。隨著睡眠的進(jìn)一步加深，進(jìn)入睡眠III期和IV期，腦電波頻率明 顯變慢，波幅增高，0. 5-3Hz的5波比例增大。I、 ll期睡眠屬于淺度睡眠，III , IV期 屬于深度睡眠。整個睡眠過程中Zlll, IV期睡眠最為重要，其所占比例越大，時間越長， 睡眠質(zhì)量就越好，深度睡眠時大腦可以得到充分休息，恢復(fù)疲勞的效果最好。
當(dāng)出現(xiàn)睡眠障礙時，睡眠過程的某一階段甚至整個睡眠過程的腦電活動將出現(xiàn)異 常。睡眠障礙的第一種表現(xiàn)是難以入睡(即失眠癥)，患者從清醒到入睡這一階段的時間 漫長，此時腦電波頻率逐漸變低的趨勢緩慢而且不明顯，并伴隨出現(xiàn)不穩(wěn)定的頻率跳變。 睡眠障礙的第二種表現(xiàn)為睡眠質(zhì)量不佳，易醒多夢，患者感覺似睡非睡，似醒非醒，頭 昏腦脹，精祌恍惚。此時的腦電信號多在e波頻段，以淺度睡眠l、 ll期為主，深度睡 眠m， w期所占的比例很小。
現(xiàn)在市場上的磁場促眠儀多以頻率接近腦電波的某種波形，或事先保存在存儲器 中的腦電波產(chǎn)生相應(yīng)波形的時變磁場，是假定給定的磁場能對患者的腦電波產(chǎn)生既定的 影響，即能按理想的促眠步驟實現(xiàn)促眠。這樣忽略了不同患者的差異性，也同時忽略了 患者不同時間對磁場的響應(yīng)不同，往往不能達(dá)到理想的治療效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述^L有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種智能失眠治療儀，該治
療儀應(yīng)能誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)患者的睡眠中樞的電位活動，從而加快患者入睡速度，提高睡眠質(zhì)量或 實現(xiàn)定時自然喚醒的功能。
本發(fā)明提出的技術(shù)方案是
智能失眠治療儀，包括產(chǎn)生時變磁場的信號輸出模塊，其特征在于；該裝置還包括釆集
患者實時腦電波的雙電極腦電采集模塊以及對采集獲得的腦電波進(jìn)行降頻或升頻處理的主控 制器，所述的信號輸出模塊將主控制器輸出的數(shù)字腦電信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)放大后驅(qū) 動磁場發(fā)生器產(chǎn)生所述的時變磁場。
所述的雙電極腦電采集模塊中，患者實時腦電波通過貼于其額頭兩側(cè)的電極輸入至前置
放大電路，并依次經(jīng)過光電隔離電路、高通濾波電路、低通濾波電路、50Hz工頻陷波電路、 主放大和電平抬升電路后，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后由數(shù)字信號處理器提取腦電波的主頻率及波形，并通過串口傳送至主控制器中。
所述的主控制器對收到的腦電信號送入存儲器存儲；并對腦電信號進(jìn)行降頻或升頻處 理，然后通過信號輸出模塊輸出用于治療的時變磁場。
所述的主控制器還配置有包括按鍵操作及液晶顯示在內(nèi)的人機(jī)界面。
所述的信號輸出模塊包括依次電信號連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大電路，輸出驅(qū)動電路和磁 場發(fā)生器。
本發(fā)明的工作原理是患者在常規(guī)的睡眠時間段(如晚上睡眠時間)來臨時，先將兩個 電極分別貼合在患者額頭兩側(cè)(電極貼合方式與心電圖檢査時完全一致)，而后啟動治療儀即 可。治療儀工作時，雙電極腦電采集系統(tǒng)采集患者的實時腦電波，提取當(dāng)前腦電波的主頻率 及其波形，由主控制器經(jīng)過處理(睡眠時作降頻處理；或升頻)后輸出到信號輸出模塊；信 號輸出模塊將主控制器處理過的數(shù)字腦電信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，放大后驅(qū)動磁場發(fā)生器產(chǎn)生 響應(yīng)的磁場變化，產(chǎn)生相應(yīng)的時變磁場；由于磁場發(fā)生器安裝在患者的枕頭中，因此該磁場 就藕合(以非接觸的方式)到睡眠障礙患者的大腦睡眠中樞，使患者很快進(jìn)入睡眠狀態(tài)。而 在經(jīng)過一段吋間的睡眠休息后，主控制器按照設(shè)定將采集的實時腦電波進(jìn)行升頻處理后再通 過信號輸出模塊產(chǎn)生相應(yīng)的時變磁場，就能夠及時喚醒患者。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下效果由于本發(fā)明加入了雙電極腦電采集模塊，實時 采集患者的腦電波形，并己此波形為基礎(chǔ)處理后作為治療波形，然后驅(qū)動磁場發(fā)生器產(chǎn)生時 變磁場輸出。因而能夠充分考慮不同患者的差異及不同時間對磁場響應(yīng)的差異，能"對癥下 藥"，達(dá)到最佳治療效果。本發(fā)明對各種失眠患者均有療效，如入睡困難、多夢、易醒、睡眠 質(zhì)量不高等失眠患者。臨床試驗表明經(jīng)過一段時間(7-15天)的治療，本發(fā)明對改善睡眠 障礙患者睡眠質(zhì)量的總有效率達(dá)96%以上。


圖l為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
圖2為本發(fā)明中的雙電極腦電采集模塊框圖。
圖3為本發(fā)明中的雙電極腦電采集模塊的前置放大電路電路圖。
圖4為本發(fā)明中的雙電極腦電采集模塊的光電隔離電路電路圖。
圖5為本發(fā)明中的雙電極腦電采集模塊的高通及低通濾波電路電路圖。圖6為本發(fā)明中的雙電極腦電采集模塊的50Hz陷波電路電路圖。
圖7為本發(fā)明中的雙電極腦電采集模塊的主放大及電平抬升電路電路圖。_
圖8為本發(fā)明中的信號輸出模塊框圖。
圖9為本發(fā)明中的誘導(dǎo)腦電波頻率下降的流程圖。
圖IO為本發(fā)明中的誘導(dǎo)腦電波頻率升高的流程圖。
具體實施例方式
研究證實，將外界時變磁場藕合到人的大腦睡眠中樞時，可在腦內(nèi)產(chǎn)生與外磁場 同步的感生電流，從而可誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)人腦睡眠中樞的電位活動。發(fā)明者由此得到啟示 如果某種裝置能夠采集到患者的腦電波，加以處理，將主頻率逐步減慢或加快，然后轉(zhuǎn) 化為相應(yīng)的時變磁場，并將此磁場藕合到睡眠障礙患者的大腦睡眠中樞，便有望調(diào)節(jié)、 誘導(dǎo)患者的睡眠過程，實現(xiàn)促眠或喚醒的功能。
為此，發(fā)明者提出了一種智能失眠治療儀，其工作思路為采集患者的實時腦電波，處 理后轉(zhuǎn)化成時變磁場，并將其耦合(以非接觸方式)到睡眠障礙患者的大腦睡眠中樞，實現(xiàn) 引導(dǎo)入睡和實現(xiàn)定時喚醒的功能，從而達(dá)到治療失眠和改善睡眠質(zhì)量的目的。
以下結(jié)合附圖所示的實施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖l是智能失眠治療儀的系統(tǒng)框圖。如圖所示，該系統(tǒng)包括雙電極腦電采集模塊、主控 制器、存儲器、LCD (液晶)顯示屏、按鍵及信號輸出模塊。其中雙電極腦電采集模塊用于采 集用戶的腦電信號，其腦電信號由貼于患者額頭兩側(cè)的腦電電極(兩個腦電電極是常規(guī)使用
的心電圖電極)輸入，經(jīng)過濾波放大后輸入16位ADC轉(zhuǎn)化位數(shù)字信號，并由數(shù)字信號處理器 分析處理，提取當(dāng)前腦電波的主頻率及其波形，然后傳送給主控制器；主控制器將接收到的 腦電信號存儲到存儲器中，并按促眠時降頻和喚醒時升頻的處理，輸出到信號輸出模塊；主 控制器還具有處理按鍵輸入和液晶顯示人機(jī)界面的控制；信號輸出模塊將主控制器送過來處
理過的數(shù)字腦電信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，放大后驅(qū)動磁場發(fā)生器(磁場發(fā)生器安裝在患者使用 的枕頭中)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場變化(時變磁場)，從而實現(xiàn)引導(dǎo)入睡和定時喚醒的目的。
圖2為雙電極腦電采集模塊框圖。如圖所示，該模塊包括電信號依次經(jīng)過的前置放大電 路、光電隔離電路、高通濾波電路、低通濾波電路、50Hz陷波(工頻陷波)電路、主放大和 電平抬升電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP (數(shù)字信號處理器)。其中前置放大電路如圖3所示，光電隔離電路如圖4所示，高低通濾波電路如圖5所示，50Hz工頻陷波電路如圖6所示，主放大 電路和電平抬升電路如圖7所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的16位高性能ADS8318模數(shù)轉(zhuǎn) 換器。DSP選用TI公司的TMS320C5509。 DSP中完成的功能有采集腦電(腦電波)信 號，處理腦電信號(提取腦電信號的主要頻率及其波形)，并通過串口發(fā)送至主控制器。
圖3為雙電極腦電采集模塊的前置放大器電路。兩個導(dǎo)聯(lián)的腦電信號V1、 V2由電極采 集后輸入，分別經(jīng)過由R2、 C1和R5、 C2組成的無源低通濾波器濾除高頻噪聲后，輸入由 Ul、 U2、 Rl、 R3、 R4組成共模驅(qū)動電路的兩個同相輸入端，以去除無源濾波器的元件參數(shù) 不匹配所帶來的共模干擾變差模干擾的問題，同時提高共模輸入阻抗；然后分別輸入到U4 (AD620)的同相和反相輸入端，由AD620放大后輸出(輸出信號電壓VO)到光電隔離電 路的輸入端。R6、 R7的電阻阻值決定了 AD620的放大倍數(shù)，同時在R6、 R7之間取出電壓， 經(jīng)過U3組成的電壓跟隨器后驅(qū)動導(dǎo)線的屏蔽層，以提高抑制共模干擾的能力。
圖4為雙電極腦電采集模塊的光電隔離電路。前置放大電路的輸出信號電壓VO輸入到 光電隔離電路后，經(jīng)R8輸入到運放U5的反相輸入端，U5放大后驅(qū)動光耦T1、 T2，以實現(xiàn) 人體與電氣設(shè)備的隔離，電阻R11是一個限流電阻，目的是為了保護(hù)光耦T1、 T2，防止流過 它們的電流過大而造成損壞。其中T2與R9、 R10構(gòu)成負(fù)反饋電路，和U5的輸入端和輸出 端C3， 一起為U5提供快速反饋環(huán)路，防止U5產(chǎn)生自激振蕩。R12和R14的作用是提供U5 的正相偏置電壓及平衡U5正反相兩端的輸入阻抗。隔離后的腦電信號經(jīng)由運放U6、 R13、 R15、 R16、 R17、 R18和C4組成的放大電路放大后輸出到濾波電路中(輸出信號電壓V3)。 U6的負(fù)反饋支路C4和R18構(gòu)成高頻反饋網(wǎng)絡(luò)，使得經(jīng)過光電耦合的腦電信號中，由于光的 頻譜很寬而增加的大量的高頻干擾成分在高頻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)作用下可以被濾除干凈。
圖5為雙電極腦電采集模塊的高低通濾波電路。光電隔離電路的輸出信號電壓V3輸入 到高低通濾波電路的輸入端。高通濾波由R21， C6構(gòu)成，其截止頻率為0.08 Hz 。 R19、 R20、 R22、 R23、 C5、 C7、 C8、 C9和運放U7、 U8構(gòu)成四階低通濾波器，其截止頻率為60Hz。 經(jīng)過濾波后的腦電信號V4輸出到50Hz工頻陷波電路的輸入端。
圖6為雙電極腦電采集模塊的50Hz工頻陷波電路；其中輸入信號(腦電信號)V4，輸 出信號V5。 50Hz工頻干擾是腦電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng) 的抑制能力，但有部分工頻干擾是以差模信號的方式進(jìn)入電路的，對腦電信號造成嚴(yán)重的干擾，必須加以濾除。在這里我們采用的有源雙T網(wǎng)絡(luò)陷波電路，由運放U9、 U10及相應(yīng)的電 阻電容構(gòu)成。圖中R24=R26=2R25=R， C10=C11=C12/2， R27=(1—K)R， R28=KR， K值
取值影響陷波電路的頻帶寬度。K值越大，頻率選擇性越好。但是K值太高，濾波器的性能 不穩(wěn)定，當(dāng)元器件受溫度等環(huán)境影響參數(shù)發(fā)生變化時，會使陷波點發(fā)生移動，工頻千擾就得 不到有效的抑制。通常K取0.8左右。此外雙T網(wǎng)絡(luò)中，兩支路的R， C的對稱程度決定陷 波點的衰減能達(dá)到的最低限度。只有保持R， R和R/2之間以及C， C和2C之間的嚴(yán)格對 稱關(guān)系，才能使對應(yīng)于工頻的信號互相抵消，衰減到零。
圖7為雙電極腦電采集模塊的主放大電路和電平抬升電路。經(jīng)過前面一系列電路處理后 輸入的腦電信號(即圖6中的輸出信號V5)還是mv級的，由于后續(xù)電路使用的ADC輸入電壓 范圍為0 2.5V，因此腦電信號在送入ADC之前還需要進(jìn)一步放大和電平抬升。圖中R29、 R31和運放U11構(gòu)成主放大電路，調(diào)節(jié)R31可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使輸出的腦電信號V6的電壓 在ADC的輸入范圍之內(nèi)。R30、 R32和運放U12構(gòu)成電平抬升電路。
主控制器選用TI公司的高性能TMS470R1VP689，它是基于A腿7的32位RISC TMS470 MCU，其將性能、可靠性、可升級架構(gòu)和豐富外設(shè)等完美地集成在一起。在這里主控制器負(fù)責(zé) 儀器總體功能實現(xiàn)的控制，包括將腦電信號的接收與存儲，腦電信號的降頻或升頻，治療信 號的輸出控制，人機(jī)界面的控制等。
圖8為信號輸出模塊框圖，如圖所示該模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，放大電路，輸出驅(qū) 動電路和磁場發(fā)生器。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的單通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC8830。 DAC8830將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為 模擬量后，再將放大器放大，最后由輸出驅(qū)動電路驅(qū)動磁場發(fā)生器產(chǎn)生磁場。
圖9為誘導(dǎo)腦電波頻率下降的流程圖。如圖所示，首先獲取給定的(腦電)目標(biāo)頻率， 然后進(jìn)入誘導(dǎo)過程。其誘導(dǎo)過程如下先獲取當(dāng)前腦電(波)的波形及頻率，然后在主控制 器中判斷當(dāng)前腦電的頻率是否在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，如果是的話說明已經(jīng)達(dá)到誘導(dǎo)目的，結(jié)束 誘導(dǎo)；否則，主控制器將輸入的腦電信號頻率降低0.1Hz，然后輸出到輸出電路中驅(qū)動磁場 發(fā)生器產(chǎn)生磁場波(誘導(dǎo)波)，直到當(dāng)前患者腦電波的頻率到達(dá)目標(biāo)頻率范圍內(nèi)。具體的誘導(dǎo) 開始時間可通過主控制器設(shè)定。
圖IO為誘導(dǎo)腦電波頻率升高的流程圖。如圖所示，首先獲取給定的(腦電)目標(biāo)頻率,
8然后進(jìn)入誘導(dǎo)過程。其誘導(dǎo)過程如下先獲取當(dāng)前腦電的波形及頻率，然后在主控制器中判 斷當(dāng)前腦電的頻率是否在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，如果是的話說明己經(jīng)達(dá)到誘導(dǎo)目的，結(jié)束誘導(dǎo)； 否則，主控制器將輸入的腦電信號頻率升高O. lHz，然后輸出到輸出電路中驅(qū)動磁場發(fā)生器 產(chǎn)生磁場波(誘導(dǎo)波)，直到當(dāng)前患者腦電的頻率到達(dá)目標(biāo)頻率范圍內(nèi)。具體的誘導(dǎo)開始時間 可通過主控制器設(shè)定。
本發(fā)明中的所有電子(電氣)元器件可全部外購。
權(quán)利要求
1、智能失眠治療儀，包括產(chǎn)生時變磁場的信號輸出模塊，其特征在于；該裝置還包括采集患者實時腦電波的雙電極腦電采集模塊以及對采集獲得的腦電波進(jìn)行降頻或升頻處理的主控制器，所述的信號輸出模塊將主控制器輸出的數(shù)字腦電信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)放大后驅(qū)動磁場發(fā)生器產(chǎn)生所述的時變磁場。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能失眠治療儀，其特征在于所述的雙電極腦電采集模塊中， 患者實時腦電波由貼于其額頭兩側(cè)的電極采集輸入至前置放大電路，并依次經(jīng)過光電隔離電 路、高通濾波電路、低通濾波電路、50Hz工頻陷波電路、主放大和電平抬升電路后，輸入模 數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后由數(shù)字信號處理器提取腦電波的主頻率及波形，并通過串 口傳送至主控制器中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能失眠治療儀，其特征在于所述的主控制器對收到的腦電 信號送入存儲器存儲；并對腦電信號進(jìn)行降頻或升頻處理，然后通過信號輸出模塊輸出用于 治療的時變磁場。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的智能失眠治療儀，其特征在于所述的主控制器還配置有 包括按鍵操作及液晶顯示在內(nèi)的人機(jī)界面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能失眠治療儀，其特征在于所述的信號輸出模塊包括依次 電信號連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大電路，輸出驅(qū)動電路和磁場發(fā)生器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種治療失眠的儀器。目的是提出的治療儀應(yīng)能誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)患者的睡眠中樞的電位活動，從而加快患者入睡速度，提高睡眠質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)定時自然喚醒的功能。技術(shù)方案是智能失眠治療儀，包括產(chǎn)生時變磁場的信號輸出模塊；該裝置還包括采集患者實時腦電波的雙電極腦電采集模塊以及對獲得的腦電波進(jìn)行降頻或升頻處理的主控制器，信號輸出模塊將主控制器輸出的數(shù)字腦電信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)放大后驅(qū)動磁場發(fā)生器產(chǎn)生用于治療的時變磁場。
文檔編號A61M21/00GK101559252SQ20091009896
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者磊 顧 申請人:磊 顧