專利名稱：可視音樂(lè)腦電生物反饋法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反饋法，特別是可視音樂(lè)腦電生物反饋法。
腦電生物反饋的研究至少已有三十年的歷史，但在我國(guó)基本處于空白狀態(tài)。不幸的是絕大部分研究都是各個(gè)研究單位自選拼湊的工具。真正成為以腦電信號(hào)作為生物反饋的儀器，正在開(kāi)拓市場(chǎng)的只有美國(guó)瑞菲爾公司一家，僅一種機(jī)型，即A620腦電生物反饋系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)則沒(méi)有同類(lèi)產(chǎn)品。我國(guó)已有數(shù)家購(gòu)進(jìn)并使用了該儀器。該儀器存在較多的缺陷，其主要不足有①以頻率成份作為反饋信息，采用流行的α-θ頻率與肌電三者結(jié)合的方式，其原理很難用已有的基礎(chǔ)理論解釋清楚，無(wú)法發(fā)揮更大工業(yè)效能，知其然而不知其所以然，因此針對(duì)性不很明確；②單信道腦電圖信號(hào)作為反饋驅(qū)動(dòng)，信息量?。虎劭垢蓴_能力特別弱，儀器屏幕本身就能影響腦電信號(hào)的采集；④只能提供游戲功能，不能提拱可視化的腦音樂(lè)功能；⑤未提供可用于腦-計(jì)算機(jī)接口研究的機(jī)型；⑥軟件完全西化，非真正的WINDOWS應(yīng)用程序操作復(fù)雜，游戲種類(lèi)單調(diào)，不適合中國(guó)國(guó)情；⑦無(wú)家用經(jīng)濟(jì)實(shí)用機(jī)型，價(jià)格昂貴。
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種用于科研及心理素質(zhì)訓(xùn)練的可視音樂(lè)腦電生物反饋法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種可視音樂(lè)腦電生物反饋法，包括使用腦電信號(hào)采集裝置、腦電信號(hào)處理裝置，其特征在于按標(biāo)準(zhǔn)的腦電圖采集方式采集的腦電圖進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，腦波經(jīng)特征分析變?yōu)樘卣鲿r(shí)間序列數(shù)據(jù)，直接產(chǎn)生相應(yīng)的腦音樂(lè)，或控制和調(diào)整由計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像及音樂(lè)達(dá)到反饋訓(xùn)練。
——所述的腦波、特征分析包括使用腦波顯示模塊、獨(dú)立分析模塊和實(shí)時(shí)分析模塊。
——所述的腦音樂(lè)及圖形圖像包括使用腦波音樂(lè)生成模塊、圖形圖像生成模塊。
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述

圖1是本發(fā)明的主型及次型原理的框2是本發(fā)明袖珍型的原理框圖實(shí)施時(shí)，參照?qǐng)D1和圖2，首先置備硬件部份和軟件部份，其中一、硬件的構(gòu)成包括(1)腦電信號(hào)采集裝置①前置放大器用于將從受試者頭皮置放的電極所采集的微弱腦電信號(hào)即腦波放大。
②A/D轉(zhuǎn)換用于將放大的模擬腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
③PCI或USB或今后可能出現(xiàn)的更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口設(shè)備用于將數(shù)字化的腦電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。
(2)腦電信號(hào)處理裝置①高檔多媒體計(jì)算機(jī)用于主型及次型，分析處理腦電數(shù)據(jù)，生成及驅(qū)動(dòng)圖形圖像、樂(lè)音語(yǔ)音等。
②單片機(jī)用于袖珍型，功能同上，較為簡(jiǎn)單。
(3)呈放裝置①計(jì)算機(jī)顯示器用于主型、次型的普通型，呈放圖形圖像。
②數(shù)字多媒體投影儀用于主型、次型的豪華型，功能同上。
③電視機(jī)用于家庭袖珍型，呈放圖形圖像及樂(lè)音語(yǔ)音。
④計(jì)算機(jī)多媒體音箱用于主型、次型的普通型，呈放樂(lè)音語(yǔ)音。
⑤高級(jí)音響設(shè)備用于主型、次型的豪華型，功能同上。
⑥今后可能出現(xiàn)的其它影視音響設(shè)備。
二、軟件的構(gòu)成包括(1)操作系統(tǒng)平臺(tái)以微軟Microsoft公司的Windows98、WindowsMe、Windows2000及WindowsXP等為首選，隨微軟操作系統(tǒng)的升級(jí)而更新?lián)Q代。亦可考慮其他合適的操作系統(tǒng)。主要用在主型和次型。
(2)接口驅(qū)動(dòng)程序用匯編語(yǔ)言、C/C++語(yǔ)言結(jié)合Numega公司的VtoolsD及driverworks編寫(xiě)VxD及WDM驅(qū)動(dòng)程序，分別用于Win9X及WinNT系統(tǒng)，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)接口的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
(3)參數(shù)設(shè)置模塊用C/C語(yǔ)言編寫(xiě)，用以設(shè)置及調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和參數(shù)。
(4)腦波分析模塊用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，為Win9X/NT應(yīng)用程序。
①腦波顯示模塊顯示原始腦電波形，可獨(dú)立用作普通腦電圖檢查。
②獨(dú)立分析模塊對(duì)原始腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域等等的特征分析，獨(dú)立工作，用于了解某一特定受試者的腦電活動(dòng)模式，為安排受試者的反饋方案提供依據(jù)。
③實(shí)時(shí)分析模塊對(duì)原始腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的特征分析，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特征序列數(shù)據(jù)，用以直接產(chǎn)生樂(lè)音，或間接驅(qū)動(dòng)與控制圖形圖像及樂(lè)音語(yǔ)音呈現(xiàn)。本模塊不直接獨(dú)立運(yùn)行，由反饋主程序調(diào)用。
(5)圖形圖像及樂(lè)音語(yǔ)音生成模塊用C++語(yǔ)言結(jié)合微軟Microsoft的DirectX及OpenGL編寫(xiě)。
①圖形圖像生成模塊編輯、生成各種豐富的計(jì)算機(jī)圖形圖像，用作動(dòng)態(tài)顯示的視覺(jué)素材。其實(shí)際顯示的動(dòng)態(tài)效果由腦波特征序列數(shù)據(jù)控制。
②音樂(lè)生成模塊編輯、生成各種豐富的數(shù)字電子音樂(lè)，用作動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的聽(tīng)覺(jué)素材。其實(shí)際呈現(xiàn)的的聽(tīng)覺(jué)效果由腦波特征序列數(shù)據(jù)控制。這樣呈放的音樂(lè)我將它稱為腦控音樂(lè)(brain-controlled music)或BCM。
③直接腦波音樂(lè)生成模塊依據(jù)腦波與音樂(lè)的波動(dòng)具有物理相似性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)各種不同的有效算法，將腦波直接實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為樂(lè)音，以下簡(jiǎn)稱腦音樂(lè)(brain music)或者BM。與上述BCM-起，為本系統(tǒng)的關(guān)鍵與重點(diǎn)所在。
④語(yǔ)音生成模塊編輯、生成各種提示性的語(yǔ)句，供反饋過(guò)程中對(duì)受試者進(jìn)行語(yǔ)言提示時(shí)調(diào)用。
(6)呈現(xiàn)模塊用C++語(yǔ)言結(jié)合微軟Microsoft的DirectX及OpenGL編寫(xiě)。
①圖形圖像呈現(xiàn)模塊將生成模塊產(chǎn)生的圖形圖像在腦波特征序列數(shù)據(jù)的控制下以各種豐富多彩的形式在呈放裝置中呈現(xiàn)出來(lái)，如動(dòng)畫(huà)、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景、動(dòng)感的抽象彩圖、適合由腦波特征數(shù)據(jù)控制的游戲等等。
②樂(lè)音呈放模塊將生成模塊產(chǎn)生的腦音樂(lè)或腦控音樂(lè)在呈放裝置中呈放出來(lái)。
③語(yǔ)音呈放模塊將語(yǔ)言生成模塊產(chǎn)生的話語(yǔ)在聲音呈放裝置中呈放出來(lái)。
(7)腦-計(jì)算機(jī)界面模塊為次型所獨(dú)有，在上述主型諸模塊的基礎(chǔ)上增加該模塊，用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)，設(shè)計(jì)一開(kāi)放的接口，用戶可自行編寫(xiě)控制及轉(zhuǎn)換算法，用于研究用腦電活動(dòng)控制計(jì)算機(jī)對(duì)象元素如光標(biāo)、鼠標(biāo)等的變動(dòng)等等。
(8)簡(jiǎn)化腦電反饋模塊用匯編語(yǔ)言、C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)，為上述功能的簡(jiǎn)化編程，可寫(xiě)入單片機(jī)或PC機(jī)，供家用袖珍型使用。
實(shí)施時(shí)工作流程及簡(jiǎn)要說(shuō)明1、主型按標(biāo)準(zhǔn)的腦電圖采集方式，從受試者頭皮記錄到的腦電活動(dòng)，經(jīng)前置放大器放大及A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)樵寄X電時(shí)間序列數(shù)據(jù)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)后①呈現(xiàn)原始波形，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)紙化腦電圖儀功能；②進(jìn)行特征分析以了解該受試者的腦電活動(dòng)模式；③進(jìn)行實(shí)時(shí)特征分析變?yōu)樘卣鲿r(shí)間序列數(shù)據(jù)，直接產(chǎn)生相應(yīng)的腦音樂(lè)，或控制調(diào)整由計(jì)算機(jī)生成的音樂(lè)即腦控制音樂(lè)，并控制由計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像，將結(jié)果呈現(xiàn)給受試者，使其經(jīng)一定時(shí)間的訓(xùn)練后能主動(dòng)調(diào)整大腦活動(dòng)，以使上述樂(lè)音和圖形圖像按受試者的意愿發(fā)生改變，從而達(dá)到反饋訓(xùn)練的目的。
腦電信號(hào)采集的通道數(shù)暫設(shè)為1-4通道，不排除進(jìn)一步研究后采用更多通道數(shù)的可能，如16通道、32通道等等。反饋的內(nèi)容以腦音樂(lè)或腦控音樂(lè)為主，結(jié)合視覺(jué)畫(huà)面一起呈現(xiàn)或單獨(dú)呈現(xiàn)，聲音與畫(huà)面隨受試者的腦電活動(dòng)變化而變化。畫(huà)面的內(nèi)容可以是簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景、動(dòng)感的彩圖、抽象動(dòng)感彩圖，也可以是完成一定任務(wù)的游戲等等。語(yǔ)句的呈現(xiàn)則主要用于提示受試者當(dāng)前大腦活動(dòng)的狀態(tài)，以幫助受試者集中注意力完成反饋訓(xùn)練任務(wù)。
所需要的硬件主要為一臺(tái)前置放大器與一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)，如配置高級(jí)視聽(tīng)設(shè)備則為豪華型，效果將更好。
進(jìn)行腦電反饋訓(xùn)練時(shí)，首先應(yīng)分析受試者的腦電活動(dòng)模式，以確定一個(gè)較為適當(dāng)?shù)姆答佊?xùn)練方案。受試者應(yīng)盡量放松身心，一個(gè)較暗的安靜環(huán)境是必要的，操作者應(yīng)具有一定的心理學(xué)知識(shí)與技能，能隨時(shí)對(duì)受試者進(jìn)行指導(dǎo)。經(jīng)多次訓(xùn)練后受試者一般能達(dá)到對(duì)自己大腦活動(dòng)的某種程度的控制與調(diào)整。可定期復(fù)查受試者腦電活動(dòng)模式的變化。
2、次型除上述功能外，主要增加了腦-計(jì)算機(jī)接口界面模塊。腦-計(jì)算機(jī)接口界面的研究是一個(gè)全新的生物工程研究領(lǐng)域，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是研究如何用大腦活動(dòng)而不是用軀體的某一部分如手等操作計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，最簡(jiǎn)單的就是研究如何用意念來(lái)控制鼠標(biāo)向著想要移動(dòng)的方向移動(dòng)，以及對(duì)計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)的字母等進(jìn)行選擇。研究結(jié)果對(duì)于廣大肢殘患者使用計(jì)算機(jī)將是很大的福音。
該型主要用于研究，因此額外提供一個(gè)開(kāi)放的編程環(huán)境，使研究者可自行編制合適的算法。
3、家用袖珍型為主型的簡(jiǎn)單小型化，硬件做在一個(gè)很小的電路板盒里，采集1通道腦電信號(hào)即可，信號(hào)分析與圖聲生成由單片機(jī)控制，亦可做成板卡插入計(jì)算機(jī)由計(jì)算機(jī)處理。使用者買(mǎi)回家后直接接駁家中的電視機(jī)，由家人在其頭皮上粘上記錄電極即可開(kāi)始反饋訓(xùn)練。有計(jì)算機(jī)的用戶可購(gòu)插入計(jì)算機(jī)的板卡，在計(jì)算機(jī)上完成反饋訓(xùn)練。反饋的視、聽(tīng)內(nèi)容先簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，今后隨硬件技術(shù)的發(fā)展可逐漸復(fù)雜化。
相比之下，本發(fā)明有以下的特色和創(chuàng)新①提出明確的腦電信號(hào)用于生物反饋訓(xùn)練的理論，以帶有不同信息的腦波頻率成份作為反饋信息發(fā)揮訓(xùn)練作用，原理明確。
②應(yīng)用最新的數(shù)字化腦電采集技術(shù)使得本機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)。
③提供的信息反饋素材目的性強(qiáng)，內(nèi)容大眾化，適合中國(guó)國(guó)情。
④儀器有不同型號(hào)，即有適合有關(guān)機(jī)構(gòu)使用的主型，也有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的家用型，更有可用于進(jìn)一步研究的平臺(tái)型。
⑤將腦電圖信號(hào)實(shí)時(shí)變換為可視音樂(lè)，并將該動(dòng)態(tài)音樂(lè)應(yīng)用于生物反饋訓(xùn)練，系首次提出。從實(shí)質(zhì)上明確了學(xué)術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵詞“腦音樂(lè)”(brain music)的含義，并首次提出“腦控音樂(lè)”(brain-controlled music)和“可視腦音樂(lè)”(visual brainmusic)的概念并給以完整解釋。
本發(fā)明的社會(huì)意義在于1 社會(huì)需求隨著社會(huì)的人口老齡化、競(jìng)爭(zhēng)激烈化，各種非器質(zhì)性與器質(zhì)性大腦功能紊亂如嚴(yán)重神經(jīng)衰弱、頑固性失眠、強(qiáng)迫癥、躁郁癥、注意力渙散、記憶力下降、中風(fēng)和腦炎后遺癥、癲癇、酗酒與吸毒等亞健康狀態(tài)，帶給人類(lèi)的痛苦毋須多言，其涉及面之廣亦沒(méi)有任何其它疾病可以相比。傳統(tǒng)治療以作用于中樞神經(jīng)藥物為主，副作用大，長(zhǎng)期用容易耐藥或成癮。腦電生物反饋法提供了一種安全高效的非藥物訓(xùn)練調(diào)整手段。
2 研制意義腦電信號(hào)用于生物反饋法屬高科技領(lǐng)域，難度極大，國(guó)內(nèi)尚無(wú)產(chǎn)品，外國(guó)產(chǎn)品也僅一家，性能差，故尚未能廣泛應(yīng)用。本項(xiàng)目所研制的腦電生物反饋法不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，從理論與技術(shù)上也靠近了該領(lǐng)域的世界前沿。隨著家用型腦電生物反饋訓(xùn)練儀的投產(chǎn)，可以讓廣大患者接受到廉價(jià)方便安全高效的輔助訓(xùn)練手段，必將成為大腦功能紊亂患者的福音。腦-計(jì)算機(jī)接口的研究成果將直接使廣大肢體殘疾者受益，極大地改善他們的生活質(zhì)量。其影響難以估量。
權(quán)利要求
1.一種可視音樂(lè)腦電生物反饋法，包括使用腦電信號(hào)采集裝置、腦電信號(hào)處理裝置，其特征在于按標(biāo)準(zhǔn)的腦電圖采集方式采集的腦電圖進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，腦波經(jīng)特征分析變?yōu)樘卣鲿r(shí)間序列數(shù)據(jù)，直接產(chǎn)生相應(yīng)的腦音樂(lè)，或控制和調(diào)整由計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像達(dá)到反饋訓(xùn)練。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可視音樂(lè)腦電生物反饋法，其特征在于腦波、特征分析包括使用腦波顯示模塊、獨(dú)立分析模塊和實(shí)時(shí)分析模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可視音樂(lè)腦電生物反饋法，其特征在于腦音樂(lè)及圖形圖像包括使用腦波音樂(lè)生成模塊、圖形圖像生成模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可視音樂(lè)腦電生物反饋法，其特征在于按標(biāo)準(zhǔn)的腦電圖采集方式采集的腦電圖進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，腦波經(jīng)特征分析變?yōu)樘卣鲿r(shí)間序列數(shù)據(jù)，直接產(chǎn)生相應(yīng)的腦音樂(lè)，或控制和調(diào)整由計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像及音樂(lè)達(dá)到反饋訓(xùn)練。用本明方法制作的主型、次型及家用袖珍型訓(xùn)練儀證明訓(xùn)練性能好，抗干擾性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適合中國(guó)國(guó)情，是一種科研和心理素質(zhì)訓(xùn)練的極好方法。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1420466SQ0112993
公開(kāi)日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2001年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月20日
發(fā)明者羅一峰 申請(qǐng)人:羅一峰