基于生物反馈技术的新型脑波理疗仪

　　本文根据脑电波生物反馈原理,整合了颅电技术(CES)和声光刺激技术,设计研制出了一种基于生物反馈技术的新型脑波理疗仪,可以佩戴在人的脑部,它是一种小型的电池供电2通道脑电波理疗系统,它能够从人的头部引出自发脑电信号,经过放大和滤波后转换成数字信号流,再传输给单片机分析,然后根据人自身实际情况进行理疗,并且理疗过程中脑波检测放大模块实时把脑波情况反馈给单片机,直至人的脑波是α波(8~13Hz,是最佳的学习状态)为止,从而能实现理疗的目的。

　　1　系统硬件设计

　　基于生物反馈的脑波理疗仪可以产生2Hz、2/15Hz电脉冲信号,加之15Hz频闪光和双声道α波音乐,用有节律的声、光、电刺激人脑穴位神经系统和人的双眼视神经,以诱发和加强所需的α脑电波,使人能够舒缓情绪,缓解疲劳,增强学习愿望,而且能够提高注意力、思维力、记忆力,提高IQ。其硬件结构分为低频脉冲控制电路;脑波检测放大电路;电源;无线遥控接收模块和逻辑接口电路;液晶显示模块;音乐控制电路;电极和指示灯共七个部分。其硬件组成方框图如图1所示。

　　1.1　低频脉冲控制电路

　　整个低频脉冲控制电路以EM78P156ELMJ单片机为核心,它是台湾义隆电子公司采用低功耗、高速CMOS工艺设计开发的8位单片机。其内部有1K×13位可一次编程的ROM(OTP-ROM),内部含有看门狗、RAM、ROM、可编程计时/计数器、内外部中断、SLEEP模式及双向三态I/O口。该电路主要由低频脉冲产生电路、驱动电路、脉冲宽度调制(PWM)控制电路三部分组成。低频脉冲产生电路由EM78P156ELMJ单片机和驱动电路组成,能够输出A、B模式即2Hz、2/15Hz两路电脉冲信号,输出频率为2Hz时,脉冲宽度为0.6ms;输出频率为2/15Hz时,脉冲宽度在2Hz时为0.6ms,在15Hz时为0.2ms,且两频率脉冲持续时间为3s。整个电路连接如图2。

　　由于系统输出A、B两模式低频脉冲,工作情况等同,故取A模式脉冲输出的驱动电路。驱动电路连接如图1中右上电路所示。假设A-R初始是脉冲高电平,A-L是低电平,则输出为低电平;如果A-R初始是脉冲低电平,A-L是高电平,则输出为高电平。如此类推,就可产生出连续的低频脉冲。脉冲宽度调制(PWM)控制电路,是基于单片机的软件来实现的,主要是利用EM78P156ELMJ单片机内部提供的定时器,通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间,调节波形的占空比,控制低通滤波器的电压输出,改变二阶电路脉冲响应,进而实现低频脉冲幅度的增减。其等效电路如图3(a)。其中Vin=VCC=3.5V,V0为输出响应,RL为后续电路等效负载,C1为电容,L1为电感,D1为二极管。

　　当PWM为“1”高电平时,三极管Q14导通接地,电感L1储存能量,此时电源不向负载提供能量,负载靠储于电容C1的能量维持工作。当PWM为“0”低电平时,三极管Q14截止,电源VCC和电感L1共同向负载RL供电,此时还给电容C1充电,其等效电路如图3(b)所示。此时脉冲输出V0是关于时间t的函数,通过改变t即可实现控制输出响应V0(t)。