脑电频率调节
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作者: 周樟伟 陶大锦
【摘要】本文阐述了脑电信号的有关知识和脑电频率调节。脑电信号根据其频率的不同有规定的分类，不同频率的脑电波反映了人不同的精神状态，脑电频率调节则是利用脑电信号对外部刺激的节律同步化效应通过外界不同频率的声光等刺激来改变脑电信号频率，可以达到使人处于不同精神状态的目的。
【关键词】脑电信号；脑电频率调节；声光刺激
1.前言
当前，我国人民已进入市场经济的大潮之中，激烈的市场竞争，使人们处于过度的精神紧张状态，这种不良的情绪使人容易产生疲劳、失眠、头痛及精神衰弱，这就需要有一种方便而舒适的治疗手段，于是便需要脑电调节来调节人的精神状态。
医学研究表明，人脑会自发辐射脑电波，脑电信号可以反映人精神状态的变化，所以研究脑电信号也是十分必要的。当人在收到特定外部诱发刺激时，脑电信号也会出现与外部刺激频率保持一致“节律同步”的现象，当持续的外界刺激如频率闪光对人进行刺激时，从大脑皮层采集的脑电信号与闪光刺激频率同步[1]。只要人们利用外部刺激方法，便可使人脑进入某种需要的波段，从而达到调节心态，达到治疗一些心态疾病的目的，其研究的意义在于利用脑电诱发器根据需要调整输出刺激频率用于临床和日常生活。
2.脑电信号产生的机制和分类
2.1 脑电信号的产生
脑电图(EEG)反映了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，其基本特征包括周期、振幅、相位等。大脑皮层的结构异常复杂，是一个由大约100亿个各种形态的神经元组成的神经系统[2]。神经元由神经细胞和神经纤维两个部分组成，是整个神经系统的基本结构或机能单位。在人和动物的大脑，特别是皮层细胞，存在着频繁的电活动，这些电活动就来自由神经元之间的互联。目前大多数人认为，脑电是大脑皮层浅层大量胞体与树突的局部突触后电位总和形成的电场，经过脑脊髓液、脑膜、颅骨和头皮构成的容积导体传导，在皮层表面上或头皮上形成的电位分布，利用电极将头皮的电位变化放大并记录，就是我们通常所说的脑电波／脑电信号，也称为脑电图(EEG)。
2.2 脑电信号的分类
脑电图的分类，国际上有几种不同的方法，一般说来，常用的分类变量有频率、电压、形态、同步性周期性等。若按频带定义，一般可将脑电分为下面几种：
（1）δ波，频带范围0.5-3Hz，振幅为10-20uV，常在额部出现，其指数不超过5%-8%，见于儿童和成年人的睡眠时，在正常清醒的成人脑波中很少见，过度换气、睁眼及呼叫姓名都对δ波无影响。无论任何年龄，任何意志水平持续存在的局灶性δ波均为异常，指示着皮质病变。
（2）θ波，频带范围4-7Hz，振幅20-40u V，在颞叶、顶叶较明显，一般倦时出现，是中枢神经系统抑制状态的表现。经常存在的局灶性θ节律为异常，其出现为深部皮层下或中线结构的病变。
（3）α波，频带范围8-13Hz，85%的成人在9.5-10.5Hz之间，振幅lO-1uV，是成人脑电中的基本节律。α节律呈正弦形，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降现象。α波的活动在大脑各区都有，不过以顶枕部最为显著，并且左右对称，安静及闭眼时出现最多，波幅亦最高，睁眼、光刺激或精神活动时，α波会受到影响，这是正常脑电图的重要标志之一。
（4）β波，频带范围14-30Hz，电压幅度低于5-30uV，以额、颞和中央较为显著，在警觉/工作状态、注意力集中或情绪紧张时出现较多。
（5）γ波：频带范围30-100Hz及以上额区及中央最多，它与β波同属快波，快波增多，波幅增高是神经细胞兴奋型增高的表现。
3.脑电频率调节
3.1 脑电频率调节概述
脑电频率调节和脑电诱发的概念是等同的，人脑诱发电位技术是探索脑的活动，诊断脑的疾患的常规方法，正日益受到重视。脑电诱发电位分为：听觉诱发电位、视觉诱发电位、体感诱发电位等；这些都是通过外界刺激来改变脑电波的状态实现的。脑电诱发器主要功能是提供实验过程中所需的外部刺激，刺激方式为非接触的声音、闪光感官刺激，这两种手段是目前研究诱发脑电常用的方式。基于脑电信号的节律同步化效应的频率调节仪用于调节人体脑电信号可以达到使人处于某种精神状态的效果。
3.2 脑电频率调节的国内外发展
（1）国外发展概况
自1930年代初，一些致力于视听刺激影响下的皮质脑电图的分析研究已经展开。德国精神病学家Hans最早引入脑电的概念并提出大脑在睡眠、麻醉、缺氧及不同的精神疾病状况下，其脑波也不一样[9]。
1975年D.N.J.Donker提出用正弦调制光（SML）来研究脑电的诱发响应，他认为以往采用的短闪光刺激所含的丰富谐波使脑电响应具有复杂的波形。这种复杂性妨碍了对脑诱发反应规律的正确解释，而SML作为刺激信号，由于其闪光频率纯，平均光强恒定，在脑系统的研究中更具有科学性。
近十年以来SML诱发脑电的研究在国际上颇受重视并取得一些成果；如Tweed和Verdagn证明了SML刺激稳定了脑电的α节律，而几乎不改变自发脑电的波形，而闪光刺激明显改变了脑电的波形，但不能稳定α波频率[3]。
（2）国内发展概况
国内的发展不如国外，起步也比较晚，技术不是十分成熟，但也有很多专家学者做了广泛而深入的研究。1991年周卫东、曹毅、胡中揖等人做了声、光、磁物理刺激对人体脑电影响的计算机分析[10]。2003年北京大学深圳医院神经内科的童晓欣等人做了脑电图光刺激的光驱反应频谱研[8]。2009年张羽、钱志余、李韪韬、张建华等做了α频率光刺激脑电信号同步化的初步研究。
3.3 脑电频率调节仪的方案设计
正弦调制光诱发仪即脑电频率调节仪的核心就是正弦信号发生器。有以下方案：
方案一：为精确地输出正弦渡、调幅渡、调频渡、PSK、ASK等信号及保证信号的高可靠性．设计出一种正弦信号发生器。该正弦信号发生器以可编程逻辑器件CPLD和单片AT89S52为基础．采用数字频率合成DDS技术实现频率合成功能。测试结果表明。设计的正弦信号发生器输出信号稳定度较好，在频率范围内50欧姆的负载上输出正弦波电压幅度稳定在6+0.6 V，波形无明显失真。系统的整体性能良好[4]。
方案二：利用Cortex-M3内核的ARM微控制器LM2S101驱动使用DDS技术的单片低频正弦信号发生器ML2035完成信号的产生，使用专业的ZLG7290按键和数码管显示芯片完成人机交互[5]。
方案三：结合DSP硬件特性，通过使用泰勒级数展开法得到设定参数的正弦波形输出，达到设计目的。该信号发生器弥补了通常信号发生器模式固定，波形不可编程的缺点，DSP芯片具有的特殊软硬件结构和指令系统，使其能高速处理各种数字信号处理算法。基于此设计的正弦信号发生器具有速度高、精度高的特点。同时该系统依靠简洁的外部硬件电路设计和合理的软件程序设计，能够产生幅度和频率可调的高稳定度正弦波[6]。
方案四：主要由单片机最小系统和FPGA两大模块组成，其硬件电路简单，主要由软件实现设计要求，总体控制非常容易。由于本系统采用了基于FPGA的DDS技术，其实现正弦信号发生器输出正弦信号频率范围较宽，分辩率高，频率的精度较高。另外，本系统还易于扩展，不需要对硬件电路进行较大的修改，只需要修改FPGA中的ROM数据，DDS就可以产生任意波形。但是它也有局限性，主要表现在输出杂散大，这是由于DDS 采用全数字结构，不可避免地引入杂散[7]。
4.总结
本文阐主要述了脑电信号的有关知识，介绍重点脑电频率调节及方法和系统设计方案。国外关于脑电调节的起步较早，技术也比较成熟，提出了很多行之有效的理论。国内的发展不如国外，起步也比较晚，技术不是十分成熟，但也有很多专家学者做了广泛而深入的研究。实现成本低廉、控制效率高、网络化、智能化程度高的脑电频率调节仪将是未来要解决的主要问题。
参考文献
[1]彭杰,杜玉晓,杨其宇,黄晓东.一种新型EEG视觉诱发电位闪光刺激器的设计[J].广东工业大学学报2010第27卷第3期.
[2]伍国锋,张文渊.脑电波产生的神经生理机制[J].临床脑电学杂志,2000,9(3):188-190.
[3]张作生,林琦.正弦调制光诱发脑电响应特性的研究[J].生物物理学报,1991年3月第7卷第1期.
[4]李道霖,韩绪鹏,肖春芳.正弦信号发生器的设计与实现[J].电子设计工程,2010年12月第18卷第12期.
[5]冯伟.简易低频正弦信号发生器的设计[J].广州工程技术职业学院机电工程系,2010,98-99.
[6]廖柏林,王星胜,林坤,陈旭伟,韩怀梅.基于DSP正弦信号发生器设计[J].电子.电路,2011年第24卷第2期.
[7]李秋菊.基于FPGA的正弦信号发生器设计[J].
[8]童晓欣.脑电图光刺激的光驱反应频谱研究[J].中国临床康复,2003-8-15第7卷第19期.
[9]张羽,钱志余,李韪韬,张建华.α频率光刺激脑电信号同步化的初步研究[J].生物医学工程研究,2009,28(3):183-187.
[10]周卫东,曹毅,胡中揖.声、光、磁物理刺激对人体脑电影响的计算机分析和实验结果[J].生物医学工程杂志,1991,8(2):155-160.
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