一種新穎的反饋電刺激裝置研制與應用

0 引 言
隨著人類社會的發展，人們的生活節奏愈來愈快，精神壓力越來越大，越來越多的人出現了睡眠障礙。研究表明，睡眠效果的判定，不僅要看睡眠時間的長短，更重要的是要看睡眠的深度。
治療睡眠障礙的首選方法無疑還是藥物，但用藥物糾正睡眠障礙對人體形成的危害越來越引起關注。除藥物副作用外，藥物依賴也是一個重要問題。近年來，非藥物治療睡眠障礙的方法得到重視，目前，非藥物治療睡眠障礙的方法主要包括基于中醫理論的穴位刺激法、大腦電磁刺激法、大腦聲光刺激法等。這些方法的共同缺點是治療中刺激的參數對所有患者都是一樣的，很難針對特定患者個體確定合適的刺激參數。另外，由于這些方法的作用機制尚不明了，不同方法的治療效果因不同的個體而異，確切療效尚待進一步證實。目前，還未見有一種儀器能根據患者的睡眠進程狀態和睡眠時所表現的個體差異產生自適應的刺激模式，從而改善睡眠的報道。
本文提出一種由計算機與腦信息交互實現對睡眠障礙的神經反饋治療裝置，試圖研制一種個性化睡眠障礙矯治儀器。

1 方法
1．1 系統概述
近年來，睡眠腦電的研究取得了很大進展。根據睡眠腦電的分析，已可定量判斷睡眠的質量。人們通過不同方法，如時頻分析、小波變換神經網絡、信息熵等理論對睡眠腦電進行了處理，發現隨著睡眠深度的增加，睡眠腦電具有明顯不同的特征。目前在國際上通行的睡眠分類，就是按照腦電圖的特征將睡眠分成所謂的快眼動(Rapid Eye Movement，REM)睡眠和非快眼動(Non-rapid Eye Movement，NREM)睡眠兩大類，而NREM睡眠又可分為程度不同的四個期，按其深度分別標為一期、二期、三期和四期，加上睡前清醒期，睡眠共可分為六個不同的狀態。最近的研究表明，隨著睡眠的加深，睡眠腦電的回歸復雜度持續下降，睡眠腦電的回歸復雜度可作為衡量睡眠質量一個簡單而實用的指標。
基于上述分析，提出一種基于睡眠深度定量分析的個性化自適應神經反饋電刺激睡眠障礙治療裝置。第一，用安放在人體頭部的電極提取受試者12 s的腦電信號，并進行放大濾波和模數轉換；第二，提取受試者不同睡眠期四道腦電回歸復雜度的平均值，該平均值即是睡眠深度的量化結果；第三，根據受試者睡眠深度的定量值，經過分析生成下一次電刺激的刺激模式，包括刺激波形和波形參數；第四，在該模式下的刺激信號通過與腦電采集時的同一組電極，作用于腦部，60 s后停止刺激，開始再次采集12 s腦電并計算回歸復雜度，了解新刺激條件下睡眠質量的定量值，對比本次刺激與前次刺激對睡眠的影響情況，決定下一步刺激模式的調整方案。系統的流程圖如圖1所示。

1．2 腦電提取與放大
腦電提取所用電極是采用Ag／Cl圓盤電極，分別置于頭皮頂葉的四個部位F3，F4，C3，C4處，參考電極A1和A2則置于耳垂。借助于一個雙向電子開關74LS245，利用放置在受試者頭皮的同一組電極，交替執行12 s腦電采集和60 s大腦刺激任務。雙向電子開關74LS245開通的方向是由CPU的一個輸入／輸出端口控制的。