（检测技术与自动化装置专业论文）基于生物反馈的脑波理疗仪.pdf

摘要 摘要 随着社会的进步和经济的发展，人类在工作、学习和生活中承受的压力也越来越大， 由此引发的一系列“亚健康”状态如：焦虑、抑郁、神经衰弱、头痛失眠、记忆力减退、 目赤耳鸣等，已成为构成威胁人类健康的主要因素。科学研究发现，这些“亚健康”状 念在很大程度上都跟人的脑波活动有关，脑波活动的某一模式与特定的情绪状态相关 联，人的大脑具有一定的“光跟随反应”，且对电脉冲和声音刺激具有相应的同步反应。 同时随着生物反馈相关研究的成熟，基于生物反馈的脑波理疗仪便应运而生。 通过对相关领域的研究，本文提出了一种基于生物反馈的脑波理疗仪的研制方案。 它是一种基于生物反馈技术，结合传统的脑波理疗方法并利用现代生物医学电子技术和 数字信号处理技术研制的仪器。该理疗仪整合了颅电技术( c e s ) 和声光刺激技术，它 是一种2 通道脑电波理疗系统，可以佩戴在人的脑部，对大脑进行生物反馈理疗调节， 并可进行分析评估。该理疗仪实现了无线遥控操作，能够实时检测人的脑波状况并予以 理疗，并具有体积小，成本低，功能强大，理疗效果明显等显著特点，发展前景广阔。 本文首先介绍了生物反馈技术的发展过程、现状以及该技术用于脑波理疗系统的理 论基础：然后，研究了声、光、电对人体生理肌体的作用和对脑波的影响；再次，阐述 了种新型智能化脑波理疗仪的研制和基于生物反馈技术的脑波理疗仪的设计，并分别 介绍了其硬件和软件设计。论文最后对基于生物反馈的脑波理疗方法进行了实验设计与 研究，并给出实验结果。 本论文对生物反馈脑波理疗方法提出了一种新的思路，对同类课题的研究也具有一 定的参考价值，因此该系统的研究具有一定的理论意义和应用价值。 关键词：生物反馈脑波理疗仪无线遥控接收模块u s b 通信 a 8 s 下r a c t a b s l l i r a e t w i t ht h es o c i a lp r o g r e s sa n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ， p e o p l e ss t r e s s e so nt h e 醐呔鲶ds 抛蠢ya n d 遍l i f ea 羚b e e o m i n gl a 毽e 。髓l e yc 瑟e a 毽s es 曲k a l h ys l 鬣u s ，s 强国 a sa n x i e 哆， d e p r e s s i o n ， n e r v o u sb r e a 玉( d o 、v n ，h e a d a c h ea n di n s o m n i a ，h y p o m n e s i s ， c o 内强文i v a 薹e 潍g e 建i o 魏a 鑫dl 主越i 趣s 。a lt 沁s 锄e 专主撒e 曲e ya f e 氆e 隰o s t l yf 囊娃o f 凌a 芏 也e yt h r e a t e nm ep e o p l e sh u m a nh e a l t h s c i e n t i 6 cr e s e a r c hs h o w st h a ts u b 小e a l t hi s r e l 融e dt o 谯eb 商n w a v e sa c t i v i t y 1 th a st h eo p t i e a lt r a c k i n ge f 凳c t t - ot h ee l e c t r i e a l p u l s ea n ds o u n ds t i m u l u s ，i ta i s oh a st h es y n c h r o n o u sp r i n c i p l e w i t ht h em a t u r e b i o f e e d b a c kt e c h n o l o g y ，i ti sn a _ t l l r a l t h a tr e s e a r c ho np h y s i o t h e r a p e u t i ci n s t n m l e n t so f b 豫i n w a v eb a s e do nb i o f e e 曲鑫c ki se m e 豫eb e e a u s eo fd e m a n d 。 t h r o u 曲t h er e l a t e dr e s e a r c h ，t h ep a p e rp r o p o s et h ed e v e l o p m e n tp r 0 铲a ma b o u t l 魏ep 姆s i 文h 贸a 弹麓l i ci 萎s 搬l l 麓。撒so f 缸a i 珏w 错eb a s e 耋。鞋b i o 受e d b 瓣萎( 。t h i ss l 滩璎e 嫩 c o m b i n e sw i mt l l et r a d i t i o n a lp h y s i o t h e r a p e u t i cm e t h o do fb r a i n w a v e i tm a k e su s eo f m o d e mb i o 黻e d i e i n ee l 文e c 的n i e sa n dd i g i t a ls i 辨a lp 妁c e s s i n g 。i ti 燃e 琴a t ec e sa n d a c o u s t o o p t i cs t i m u l a t i o n i ti sap h y s i c a lt h e r a p yo fb r a i n w a v ew i t ht w oc h a n n e l s i ti s w e a r a b l e i tc a l la d j u s tt l l eb r a i nb yb i o f e e d b a c kt h e r a p y t h e n ，i tc a nb eu s e dt o c a 唧 o u lt h ea n 越y s i so fb i o f e e 曲a c l ca n de v 藤u a t ei t 1 lr e 蠢i z e dl h ef e m o l eo p e r a l i o nb y w i r e l e s s i tc a nd e t e c tt l l er e a l - t i m es i t u a t i o no fb r a i n w a v ea n dg i v ep h y s i c a lt h e r 印y i t 纛a s m a 羲ym 蘸专s ，s 翻斑a sl e s sv o l 啪e ，l o w e re o n s 磁e ，p o w e r 纯l 主孤c i o n s 鑫n d o b v i o u sh e a l i n ge 丘e c t i tc a nb r i n gg o o dp r o s p e c t sf o rt h em t l j r e 弧i sp 弩c f 辫s 嘲sh e 砥s 畦c o e e d l 氆eo fb i o 灸e d b a e l ( a 爨dc 毽戳瓣s i 辍溅i o 珏鞠d t h e o r e t i c a lp r i n c i p l eo nt h ep h y s i c a lt h e r a p yo fb r a i n w a v e 1 ti n 仃o d u c et h ee d e c tt i l a t s o u n da l l dl 曲ta n de l e e t r i c m u l a t i o 致a e 专o nh u 融a nb 0 妞t h e 取i te l a b o r a t ean e w i n t e l l e c t u a l i z e dp h y s i o t h e r a p e u t i ci n s t r u m e n t so fb r a i n w a v ea n dr e s e a r c ho nt h e p h y s i o t h e l 毽p e u t i ci n s t r u m e n t so fb 1 a i n 、v a v eb a s e do nb i o f e e d b a c k ，i n c l u d i n gt h e i r d e s i g np r i n e i p l e o fh 秘畦w 棚陀a n ds o 交w 羽潜 r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，i tc a 汀y o u t e x p e r i m e n 谢r e s e a r c hd e s i g l la n dl a b o r a t o r ) ，r e s u l t 弧i sp 币e fl 滋 b 孙蕊a 藏e w 溉no f 凌。珏g 氛to np h y s i o l h o r a 嗲yo fb 臻i 羚w a v e ，l l h a ss o m e t h i n gt 0t h cs 锄et y p es u b j e c ts t u 如s o ，i th a st h e o r e t i c a lm e a n i n ga i l d 印p l i e 鑫e o 懿。 k 帮w b r d s ：b i o f d b a c kp h y s i o l h e r a p e u t i el n s t r u m e n t so fb r a i n w a v e r - e e e i v e r o f r e m o t e - c o n is ”e mb yw i r e i e s su s b c o m m 嘲i c a t i o n 中国科学技术大学论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得 的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经 发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己 在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有 权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密岳也遵守此规定。 作者签名：江荡心 年月 网 基于生物反馈的脑波理疗仪 1 1 生物反馈概述n 1 第1 章绪论 人人都希望拥有健康，现代健康的概念，早己超出人们的传统认识，它不仅 指生理上的健康，还包括心理和社会适应等方面的完好状态，即：身、心两个方 面。而心理健康己成为现代健康概念中一个不可缺少的部分。然而，现代社会是 一个充满竞争的社会，巨大的竞争压力使得身心疾病发病率逐渐升高。尤其是当 今身心疾病治疗存在两大瓶颈，一是药物治疗的复杂性与病毒副作用，二是心理 咨询脱失率高，患者不能长久坚持，使得治疗效果并不让人满意。那么，如何保 持心身健康呢? 现代医疗技术中有一种方兴未艾的疗法叫做生物反馈。 1 1 1 生物反馈的概念及特点 生物反馈( b i o f e e d b a c k ) 是2 0 世纪6 0 年代末在国外兴起的一种新的行为治 疗方法。它是利用仪器将与心理生理过程有关的体内某些生物学信息( 如肌电活 动、皮电反应、心率等) 加以处理，以视觉或听觉的方式显示给人( 即信息的反馈) ， 训练人们通过对这些信息的认识，学会有意识地控制自身的心理生理活动，以 达到调整机体功能、防病治病的目的。 生物反馈疗法是在系统论的基础上，充分利用身、心相互影响，不可分割的 统一整体特性，借助于各种先进的科学仪器，完成身、心间的复杂反馈通路，达 到治疗各种身心疾病的目的。如对原发性高血压病的治疗，机体本身不能直接感 受到自己血压的变化，但通过血压生物反馈仪可以把血压变化的情况加以处理， 以机体能理解的视觉或听觉方式呈现出来，实现机体“感知”自己的血压变化， 以操作性学习的方式有意识地主动加以调节( 心理变化) ，使血压恢复到正常水平 ( 生理变化) ，从而在生理和心理活动的统一有机整体高度上完成了高血压的治疗 工作同时，生物反馈也充分利用了生理变化对心理状况影响的作用，如肌电生 物反馈治疗焦虑症，主动进行放松训练( 心理调节) ，全身肌肉放松，肌电水平降 低，从而使焦虑水平下降。 生物反馈的这种学习过程类似于学习投掷飞标，如果我们被蒙上双眼、在不 知道投掷距离的情况下投掷，我们的水平将很难提高但是，如果我们的眼睛能 够反馈给我们信息，了解到应该偏左或者偏右一些的话，那么通过得到的反馈信 息以及反复练习，我们肯定会比蒙着双眼要提高得快的多。尽管我们既不知道神 经如何控制肌肉，也不知道我们的大脑如何处理这些反馈信息，但我们却可以有 第l 章绪论 意识地投中飞标了。心电图等类似我们在投掷飞标时的眼睛，它提供的信息使我 们能够更好地控制自己达到我们想要达到的滔标。因此，生物反馈实际上就是一 种使个体能够学习自我控制心理、生理反应的过程，它强调通过学习来改变自己 的躯体和内脏反应。 生物反馈最大的特点是针对性强，在心身疾病的致病原因水平上进行治疗， 起到釜底撼薪的 乍用，与冒前的生物医学高新技术相结合，会显著丰富传统治疗 学的内容，成为增进人类健康的有力工具。并且生物反馈具备无损伤、无痛苦、 无药物副作用、方法篱便、以及明显减轻疾病防治导致的巨大经济和社会负担等 优点，因此现被许多国家所重视，特别是一些发达国家已把生物反馈和自身调节 作为身心疾病治疗常规的有机组成部分，广泛应用于l 瞄床治疗+ 生物反馈的应用 涉及各临床科室，主要用来治疗心身疾病和神经症等，如冠心瘸、高血压、心律 失常、头痛、哮喘、银屑病、神经性皮炎、大小便失禁、雷诺氏病、失眠、恐怖 症、焦虑症等。此夕 ，生物反馈疗法在康复医学中也得到广泛疲用，如审风后遗 症( 偏瘫) 、面肌瘫痪、脊髓损伤、肌肉痉挛等及盲人、聋哑人的触觉、言语的康 复训练。一些特殊的职业，比如飞行员和射击运动员的技术训练等方面，运用生 物反馈疗法都取得了明显的效果。但是必须明确一点，就像药物疗法不能代替手 零疗法，手术疗法不能代替化疗一样，生物反馈疗法也不能代替传统的药物疗法、 手术疗法和营养支持疗法，它只是治疗学的一个组成部分，为现有的治疗方法注 入了新鲜血液。丽且，科技发展日新月异，结合现代科学技术以及科学方法，将 会极大地加速生物反馈的发展。 2 生物反馈的发晨过程潮 应用生物反馈治疗身心疾病源远流长。早在本世纪二、三十年代，j a c o b s o n 就开始用原始的肌电图监测患者肌肉张力水平，促进躯体渐进性放松的实现，治 疗多种心理、神经症状。其后在肌电技术和心理学取得长足进步的基础上，于 1 9 3 4 年s 辩主t h 报道，通过入的意识可以控制单个运动单位的敖电电位、放电戴 律及其频率。l i n d s l e y 的试验在肯定s m i t h 结果的同时还发现，极端安静下单 纯意识作翔郧可彻底放松肌肉，使运动单位都处于静息状态。之后，这种单运动 神经元的反馈训练被大量研究结果所证实，特别是6 0 年代b a s m a j i a n 在s c i e n c e 上发表的结果，进一步说明用线形良好的电极在人体上分离出的多个独立运动单 位都能被意识所控制，随意激活或失活。在此基础上有入在6 0 年代发现，展示 肌电图信号给患者有助于脑卒中肢体功能的恢复。a n d r e w s 利用肌电图训练卒中 患者瘫痪肘关节的伟、屈功能成功之后，大量研究者裰继展开了生物反馈治疗脑 卒中效果、机理的探索和研究。此外在内脏功能训练方面，美国实验心理学家 2 基于生物反馈的脑波理疗仪 m i l l e r 在进行了唾液腺分泌、心率调节、血压控制等大量动物实验的基础上， 于1 9 6 9 年在s c i e n c e 上发表了著名的论文l e a n i n go fv is c e r a la n dg l a n d u l a r r e s p o n s e s ( 内脏与腺体反应的学习) ，打破了自主神经单独控制内脏功能的传统 观念，证明人的意识可以随意调节自主神经系统所控制的内脏和腺体，提出了自 主神经系统的操作条件反射理论，奠定了生物反馈治疗内脏疾病的理论基础。同 时脑电图专家也开始报道，脑电波的数量与情绪、意识状态明显相关，并且患者 能够用意识调控波的节律。为适合生物反馈各方面的迅猛发展，在1 9 6 9 年美国 成立了生物反馈研究协会( b i o f e e d b a c kr e s e a r c hs o c i e t y ) ，后更名为美国生物 反馈协会( b i o f e e d b a c ks o c i e t yo f am e r i c a ) 。其后生物反馈发展更加迅速。 1 9 7 7 年m i l l e r 通过生物反馈训练患者控制心率和心律，成功完成了室性早搏的 治疗。近年来大量作者利用脑电生物反馈治疗难治性癫痛、多动症、脑外伤康复 等都取得了明显效果，并且也有许多作者，利用皮层慢电位( s l o wc o r t i c a l p o t e n t i a l ，s c p ) 、中央区的l 节律( c e n t r a l m u r h y t h m s ，6 9 h z ) 等脑电成分的 自身调节，控制计算机鼠标的运动，实现人的意识与计算机信息之间的直接沟通， 进而治疗闭锁综合症或严重肢体瘫痪不能与外界交流的患者，提高生活质量。在 生物反馈的神经物质基础方面，近来c r i t c h l e y 等利用p e t 研究单纯放松和生物 反馈时脑部的活动规律，发现单纯放松下前扣带回和苍白球被激活，而生物反馈 放松时则前扣带回和小脑蜕部被激活，因此提示前扣带回参与了机体的唤醒模 式，并且可能是认知状态与机体反应整合的功能解剖部位。 国内生物反馈的起步较晚，1 9 7 9 年才有人在国内介绍生物反馈，1 9 8 3 年黄 枫林等首先在国内报告利用肌电生物反馈成功地治疗脑卒中的肢体瘫痪。于1 9 8 4 年中山大学王庭槐等也开始应用生物反馈治疗中风后失语症和抑郁症，并开始了 对生物反馈生理机制的研究。以后大量作者陆续报道了生物反馈能够提高脑卒中 瘫痪肌肉的肌力降低痉挛肌肉的张力，加强脑卒中的康复过程，以及成功治疗头 痛侧、神经症泌、面神经瘫痪等病变。1 9 9 0 年左右围绕心理应激起主要作用的 心身疾病，如原发性高血压病、冠心病、心律失常、糖尿病等病症，国内许多作 者进行大量研究，取得了可喜的成就，于1 9 9 0 年1 0 月成立了中华医学会行为医 学和生物反馈专业委员会( 后更名为中华医学会行为医学分会) 。近年来生物反馈 在医学领域的应用更加广泛，除上述各研究领域研究的继续深入外，生物反馈在 青少年近视的治疗、减轻肿瘤患者化疗的不良心身反应、大小便障碍的治疗，及 银屑病的治疗等各方面都进行了有益的探索，取得了一定进展。 1 2 生物反馈的原理和机制乜3 生物反馈疗法的兴起和发展过程，包含着深刻的辩证法思想。4 0 、5 0 年代 第l 章绪论 系统论、控制论、信息论的兴起，和6 0 年代行为主义理论的建立，为生物反馈 的发展奠定了坚实的基础。7 0 年代美国r 0 c e s t 大学e n g e l 教授提出的“生物 一心理一社会全新医学模式，在向传统生物医学模式发出挑战的同时，对生物 反馈的发展起了催化剂作用。为此人们越来越重视心理因素在疾病发生、发展和 治疗中的作用，开始了积极探索把心理、生理活动作为有机整体的疾病防治有效 手段酶全新历程。 生物反馈建立的理论基础之一是系统论。奥地利生物学家贝塔朗菲认为：系 统是处予一定相互联系并与环境发生关系的各个组成部分的总体，并且系统具 有整体性、层次性、动态性和最优化等特点。因而用系统论解释人体机能时，应 当把人的各种生理、心理活动过程看成是一个统一的整体，二者相互影响不可分 割，生理活动是心理活动的基础，心理活动反过来又可影响生理活动。单就机体 的生理活动，也从来不是备器官系统活动的简单相加。机体稳态的维持，是生 理、心理整体性调节的结栗。对身体内部各种信患的反应，是在整体最优原则的 基础上，按照个体特有的规律，以完整、协调、特定功能组合的形式进行的：对 身体外部纷繁多交的各种刺激，机体也是以整体性的形式做凄不同程度和范围 的相应应答，而不是各种生理、心理功能的简单叠加。生物反馈则是利用现代科 学技术把桃体平时不能感知的生理信息加以处理、放大，以机体能感知和理解的 方式( 通常是视觉或听觉等方式) 呈现出来，让机体感知、理解，从而发挥心理 对生理的调节作用，实现生理功能的恢复，达到心身平衡。如对原发性高血压病 的治疗，视体本身不能直接感受到自己血压的变化，但通过血压生物反馈仪可 把血压变化的情况加以处理，以机体能理解的视觉或听觉方式呈现出来，实现机 体“感知 自己的盘压变纯，以操俸学习的方式有意识地主动加以调繁( 心理变 化) ，使血压恢复到正常水平( 生理变化) ，从而在生理和心理活动的统一有机 整体高度上完成了离盘压的治疗工作。同时，生物反馈也充分利用了生理变化对 心理状况影响的作用，如肌电生物反馈治疗焦虑症，主动进行放松训练( 心理调 节) ，全身肌肉放松，降低肌电水平，从而使焦虑水平下降。因此，生物反馈疗 法是在系统论的基础上，充分利用心、身相互影响，不可分割的统一整体特性， 借助于各种先进的科技仪器，完成心、身间的复杂反馈通路，达到治疗各种心身 疾病的露的。 机体作为一个整体，需要保持稳态，才能维持其正常的生存与发展。稳态是 机体的一种动态平衡，稳态的维持，需要机体不断地进彳亍鲁身调节。用控制论的 观点分析人体各种功能的调节活动，发现人体的各种活动的调节都是在“自动控 制”系统中进行的( 如蚕1 1 ) ，控制部分是中枢神经系统，受控制部分是受调节 的器官、组织和细胞。为实现自动控制，不但要有来自控制部分的信息对受控部 4 基于生物反馈的脑波理疗仪 分活动进行调节，还要有受控部分发回给控制部分的反馈信号( 信息的反馈) ， 不断纠正和调整控制部分对受控部分的影响，才能达到精确的调节。反馈信息不 但对于实现自动控制的精确调节是必须的，而且是维持稳态的重要条件之一。作 为一个完整系统的人体，输入信号是人生活的自然和社会环境，如气温、湿度、 营养、工作环境、人际关系等，被称为外环境：输出信号则是人体通过语言、运 动系统等呈现出的各种适应、协调、逃避等措施，期间伴随的协调、支持运动系 统顺利工作的内脏等活动，如血压、心率、血流、氧耗、体温、心电、脑电、肌 电、皮电、血液成分等的改变，反应的是人体内部情况，称为内环境。人体借助 各种感觉器官与内、外环境相联系，通过各级中枢的整合，调整机体的相应功能 水平和状态，恢复原来的平衡，或建立新的平衡。因此对原来的平衡状态而言， 各种内外环境的刺激因素被称为扰动。这些刺激因素可由人本身的心理、生理因 素产生，也可有外部的社会因素和自然物理因素引起。一般情况下，人体内部的 各种调节能力能够克服刺激因素引起的改变，保持内环境相对稳定，从而处于 健康状态：如果刺激因素过于强大，超过了机体的调节能力，人体不能维持内 环境的相对稳定，就会产生疾病或死亡。生物反馈治疗疾病，就是借助生物反馈 仪器提供的反馈信息，使机体不平衡的心理、生理状态向相对平衡状态转化，以 保持身心健康。生物反馈的实现，需要机体各系统的参与，受控部分发出的各种 反馈信息，通过生物反馈仪在中枢神经系统得以识别和理解，进而调动各系统 参与生理、心理功能的调节，形成反馈信息的调节环路。经过一定时间的训练， 机体就形成了操作条件反射。 图1 1 自动控制理论不慈图 关于生物反馈的确切机制，目前研究尚未深入，特别是中枢神经系统的控 制过程大部分研究都把其作为黑箱看待。现以血压生物反馈为例简要说明( 图 1 2 ) ：正常情况下血压的稳定是在皮层下中枢、特别是延髓心血管中枢的控制 下，利用具备含有负反馈调节的完整反射通路完成的，不需要意识层面的大脑 皮层参与。 第1 章绪论 协调、逃避等反应 眼睛、耳 竺竺兰旧皮层l ：黧望苎竺：= ：l 运三系统l 朵、皮肤等 lt 一 1 1 ：彳下枢i； 窦神经、迷 延髓心血管中枢 交感、迷走 ；保蕾 雠篇l 一卜宴圳r ! 生物反馈仪器 i 血压 一一一i 动 常 图1 2 心血管系统生物反馈示意图 然而外界环境改变或各种外界刺激通过眼、耳、鼻、舌、身作用于机体时，机 体通过大脑皮层整合后，指挥运动系统做出协调、搏斗、逃避或其它反应，改变 或适应外界环境的变化。期间，为适应、配合运动系统的正确、恰当的工作，大 脑皮层在指挥运动系统的同时或以前就开始通过皮层下中枢调整响应的内脏功 能，如图所示，为提高或降低血压。运动系统的适当反应，消除了外界刺激，使机 体和环境之间达到平衡。而伴随的血压等内脏功能的改变却是开环系统，没有响 应的反馈环路使之得到正确调节，从而长期应激会导致各种身心疾病。生物反馈 就是在这个过程中，利用各种仪器使血压等内脏功能的变化通过眼睛、耳朵等及 时反馈到大脑皮层，经过有意识的整合、调控，使血压等达到稳定状态。因此生 物反馈就是借助仪器使原本开环的调节通路，形成了闭合的稳态调节通路，从 而实现内脏功能的稳定和治疗各种心身疾病。 生物反馈与放松训练不尽相同。生物反馈是在操作条件反射原理上进行的内 脏学习，是不断进行的尝试与错误的学习过程，其中刺激和反应之间没有早已 存在的自然联系，只有经过在条件刺激引起条件反应时不断给予强化( 奖励) 后， 才能在刺激和反应间建立必然的联系。与经典条件反射不同的是，操作条件反射 的反应能被各种不同的奖励所强化，某一奖励也可强化各种不同的反应，学习的 可能性没有一定的限制。m i l l e r 的动物试验和n o w l i s 的脑电试验都打破了随意的 操作学习只能适用于骨骼肌，植物神经的变化只能通过条件反应引起的观点， 发现在植物神经系统也能成功进行随意的操作条件反射学习。因此在操作条件反 射基础上，患者能够借助生物反馈信号主动、有意识地调整植物神经支配的各种 内脏功能，达到防治疾病的目的。放松训练，特别是进入高度放松状态时，大脑 皮层的唤醒水平有所下降，交感、副交感神经的功能进一步平衡，从而也能在一 6 基于生物反馈的脑波理疗仪 定程度上调整大脑皮层与内脏器官由于应激刺激导致的功能紊乱，治疗某些疾 病。但是放松训练和心理意像等心理活动过程仅仅是尝试与错误学习过程的一个 环节，或尽快实现操作反射的手段之一，具有促进生物反馈生理效果的作用， 不能将其等同于生物反馈治疗。正如1 k e d a 在训练自我控制皮肤电位自发反应试 验中的发现，意像和内脏感觉较强的人生物反馈训练能够取得更为明显的效果。 但单纯放松训练虽然能使机体进入放松状态，但由于缺乏生物信号的引导，仅 仅根据被训练者主观内在感受的变化，不能用客观标准进行衡量，因此难以确 知机体功能失调的情况以及放松调整的程度，效果不甚理想。而生物反馈，则通 过仪器使生理活动的参数信息化、数字化，并进行动态显示，便于机体客观准确 地间接感知生理功能的改变，进而在经验丰富医师的指导下，针对性的进行尝 试与错误的学习过程，尽快找到包括放松、心理意像在内，适合个体特征的不良 应激修正反应模式，恢复偏离正常范围的机能水平，达到防病、治病的目的。因 此可以看出，尽管生物反馈与放松训练等心理治疗过程有着密切的联系，但两 者不能划等号。 在操作条件反射的基础上，美国耶鲁大学的s c h w a r t y 从系统论的角度进一 步加强、完善了生物反馈的理论。s c h w a r t y 提出由微观到宏观可用9 种相互关联 的理论综合评价生物反馈的临床应用效果，这9 种理论分别为：社会交往训 练、动机和态度改变、教育和顿悟、认知情感行为环境的自我控制策略、 辨别力训练、运动技巧学习、操作条件反射、经典条件反射、稳态控 制的自身调节。其中每一较高号码的理论包含较低号码理论描述的方法，但各理 论又是相对独立的，并且每种理论针对的是从生理到心理不同生命水平中的不 同活动过程。因此，生物反馈的治疗效果可以理解为同一个体在9 种生命水平的 不同作用、变化的结果，也就是说生物反馈的效益来源于不同作用程度的生物 学、心理学和社会学的多个水平。 除此之外，生物反馈的治疗效果与个体的心理特质明显相关。个体的心理因 素不但是心身疾病发病的重要诱因，对心身疾病的生物反馈的治疗效果也有重 要影响。有学者发现，生物反馈治疗冠心病时a 型行为组的有效率为8 4 1 3 ， 而非a 型行为组为只有2 5 8 0 ：治疗高血压病时收缩压和舒张压的明显降低 率，a 型行为组为8 3 1 0 ，非a 型行为组为3 4 0 5 。本实验室用正常大学生为实验 对象的结果也发现，生物反馈训练的效果之一，反馈前后额肌电位的变化量和 焦虑自评量表( s a s ) 的标准得分呈明显的正相关( r = 0 7 1 2 8 6 6 ，p o 0 5 ) ，生 物反馈前后心率的变化量却和症状自评量表( s c l 一9 0 得分呈负相关) ( r = 一0 7 9 2 8 3 ，p 0 0 5 ) ，两者均与抑郁、a 型行为、社会支持等心理行为特征无 明显相关性。因此说明，不同信号生物反馈的训练治疗效果与不同的心理特质有 第l 章绪论 一定关系，在生物反馈的l 瞄床治疗中应当结合患者疾病的性质、患者的心理特征 选择适宜的反馈方式，以便取得最健治疗效果。同时，这一实验结果也提示生物 反馈的内在生理机制与意识、心理活动密切相关，这为其客观机制的正确阐明提 供了新的思路。 进入2 1 世纪以后，随着信息化、数字化和生物技术、微电子技术的飞速发 展，为生物反馈技术的深入研究和广泛推广提供了强大的技术基础和保证，必 将导致生物反馈技术迅速发展，促进“生物一心理一社会”医学模式建立和壮大， 降低各种心身疾病的发病率、死亡率，提高治愈率，改善人类酶生活质璧。 1 。3 本课题的研究背景及意义嗍 2 1 世纪的今天，人类己步入高科技的信息时代。科技f 1 新月异的进步，知 识以空前昀速度积累和更新，对人的素质提出了越来越高的要求，人们必须付出 更多的努力才能跟上时代前进的步伐。人们既要学会品尝胜利的欢乐，也要能经 受失败和挫折。凡此种种，商节奏的环境给现代人造成越来越大的心理压力。随 着人类在工作、学习和生活中承受的压力也越来越大，由此引发的一系列职业疾 病如：焦虑、抑郁、神经衰弱、头痛失眠，记忆力减退，目赤耳鸣等正在成为构 成威胁人类健康的主要因素。这就要求出现种能够缓解人豹心理和精神压力， 及时治愈这些职业疾病，并且能够从根本上提高人对自身心理的调解和适应能力 的方法和手段。科学家经研究发现，这些职业疾病都跟入的脑波有关，脑波活动 的某一模式与特定的情绪状态相关联，人的大脑具有“光跟随反应”，且对电脉 冲和声音刺激具有脑波同步原理。隧时随着生物反馈相关研究的成熟，基于生物 反馈的脑波理疗仪正是在这样的背景下产生的。 随着经济的发展，人民生活水平的提高，脑力劳动的同益加重，职业疾病治 疗问题已圈益引起全社会的重视。丽诸多职业疾病大多属于心理压力造成的。心 理压力总是和紧张、焦虑、挫折联系在一起的。当我们面临和伴随心理压力的时 候，我们的身心系统会隧之发生一系列的变化。研究表臻，工作压力会造成心理 与情绪的网扰，包括焦虑、紧张、不安、精力分散、记忆力减退、失眠等等。同 时，生理上也常常伴有疲劳、头痛、耳鸣、e 瑟花、心悸、呼吸不顺、胃肠不好、 肌肉酸痛等症状。豳此可见，心理压力对人的身心健康的影响是广泛而又普遍的。 现代健康概念，早已超出人们的传统认识，它不仅指生理上的健康，还包括 心理和社会适应等方面的完好状态，即：身、心两个方面。而心理健康已成为现 代健康概念中一个不可缺少的部分。心理健康的概念是随时代的变迁，社会文化 因素影响两不断变化的。心理学家对心理健康的概念有以下几种说法：“心理健 康是指人们对客观环境具有高效、快乐的适应状况。心理健康的人应保持稳定的 基于生物反馈的脑波理疗仪 情绪、敏锐的智能，适应社会环境的行为”。心理健康是指人的一种持续的心理 状态，主要在这种情况下能做良好的适应，具有生命的活力，能充分发挥其身心 的潜能”。 随着人类科学技术的进步，生物一心理一社会医学模式己经确立。生物反馈 就是6 0 年代末在国外兴起的一种新的行为治疗方法。生物反馈( b i o f e e d b a c k ) 是 利用仪器将与心理生理过程有关的体内的某些生物医学信息( 如肌电、皮温、呼 吸、皮电、心率、血压、脑电等) 加以处理，以不同的形式进行反馈，训练人们 通过对这些信息的认识，学会有意识地控制自身的心理生理活动，以达到调整机 体功能、防治疾病的目的。生物反馈是在行为疗法的基础上发展起来的一种新的 心理治疗技术，它更加强调了个体在防病治病中的主观能动作用。在“反馈”的 前面加上“生物 二字的意思之一就在于强调这种“主观”能动作用。由于使用 了精密的仪器，人们可以及时地得到体内心理生理过程的信息，通过训练能学会 控制、调节自体的生理功能而达到心理、肌体放松和防治疾病的目的。 与传统的治疗方法相比，生物反馈疗法更能充分调动病人自身的内在潜力， 使病人积极地参与治疗，而且没有痛苦和副作用，所以它一出现就受到医患两方 面的欢迎。它虽然不能代替传统的治疗，却大大丰富了医疗学的内容，也充实了 心理治疗的内容，成为现代医学最新成就之一。 m i l l e r 曾对此作过形象的比喻：一个人学习投篮，他是怎样使球逐渐接近篮 圈，最后投中目标的呢? 他的眼睛提供了投篮结果的反馈，偶尔的投中目标对投 篮者是种安慰和奖励，强化了正确的姿势，于是命中率越来越高。如果将投篮 者的双眼蒙住，而不给予其他投篮结果的反馈信息，他就无法修正自己姿势，最 后是不可能学会投篮的。 生物反馈的兴起不是偶然的，至少有以下五个方面的因素促进了它的应用和 发展。 第一、“生物一心理一社会 医学模式的建立，人们越来越认识到心理因素 与疾病的发生有密切关系，这就迫使人们寻找新的有效地心理学治疗手段。 第二、控制论的兴起加深了人们对人体机能调节的研究，认识到如能改善信 息的反馈就能提高人体机能的调节能力。 第三、对操作条件反射的研究，证明了通过学习，人自身的生理、心理状态 可以达到一定程度的主观控制：神经心理学及有关学科研究的进展也证明了这种 控制是有大脑功能结构基础的。 第四、生物医学电子学发展提供的技术，使人们不但能像显微镜那样认识自 己的细微结构，而且还能运用反馈仪器观察自己体内心理生理的动态过程。 第五、生物医学信号处理等新学科的发展，对研究生物医学信号，探索人类 9 第l 章绪论 自身和生命的奥秘提供了有力的工具。 因为生物反馈技术的发震还只有短暂的历史，焉心理放松疗法在我国也嚣恫l 起步，没有形成系统的理论和实践手段，本课题运用生物反馈技术，脑波理疗方 法，并结合现代医学电子学手段，使基于生物反馈的脑波理疗方法在大量的实验 中得到了验证，并逐步形成理论。可以相信，基于生物反馈的脑波理疗方法在心 理学、康复医学、竞技体育等领域将发挥重要作用，焉曼会不断地得到完善和发 展。 ，4 国内外的应用发展及研究现状3 生物反馈的研究是医学中的一个新课题，并越来越引超心理学界和医学界的 重视。从本世纪6 0 年代至今，虽然兴起不久，但发展十分迅速。因为其广阕的发 展前景和应用价值，越来越多的研究机构把它列为重点攻关的项目，而一些有实 力的公司的介入，更大大加快了生物反馈脑波理疗技术的市场化进程。 西前已有多种仪器，分别或是组合同步显示入体的脑电波形、肌电水平、皮 肤电阻、脉管容积、心率、血压、皮温等生物信息。朗特( r a n t t ) 最早用脑电生 物反馈疗法治疗癫痛：卡米亚( k a m l y a ) 曾用脑电生物反馈仪治疗高血压、心律不 齐、溃疡病、紧张性头痛、支气管哮喘、焦虑症等：还有用来减轻疼痛、调节心 情等。近些年来，我国许多机构也开展了生物反馈治疗及其相关理论的磷究。 生物反馈脑波理疗技术至今只有几十年的时间，与其他治疗方法相比，无论 从基础理论还是从临床实践的研究来说，都还是不成熟的。虽然市场上出现了一 些相关的产品，而且品种和功能都有了很大的提高，但是总体上还是存在以下主 要几个问题： l 、应用领域及功能单一。目前，随着产品化进程的加快，市场上相继出现 了肌电、脑电、皮温、皮电等多种生物反馈仪，但应用范围大部分限制在临床监 护等领域，使仪器仅仅俸为一个入体信号采集系统，缺乏有效的治疗手段，雨量， 入是一个具有多种生理机能反应的结合体，虽然针对不同的症状，个体反应特性 不同，但远远不如对个体各项指标进行综合评价的分析结果准确、可靠。 2 、治疗手段有待多样化。生物反馈技术作为一种治疗手段，其效果要看对 这种技术掌握的程度和使用能力。而单独使用生物反馈方法取得的效果是很难诖 人满意的，生物反馈技术必须和多种传统的理疗方法结合应用，满足不同个体的 喜好和需求，才能达到预期的目的。 3 、评价方法的理论研究不够深入。生物反馈技术的应用，就是根据受训者 预先设定的期望值与测试的当前值进行比较，提供反馈信息，使受训者对鲁己的 心理状态有一个直接的认识，从两提高自己的主观调节能力。因此对不同类型信 1 0 基于生物反馈的脑波理疗仪 号的特征值的提取和分析评价是非常重要的。但是现在对生物反馈脑波理疗方法 的研究还处于分散的状态，没有一个可以借鉴的国际法定标准，这就难免导致某 些方法有失科学性，必然影响结果的准确性。 此外，市场销售的理疗仪存在许多不足之处。一是多属机械式操作，易于损 坏，使用寿命短：二是类随身听功能较多，容易误导青少年用作他用：三是理疗 时间长，程序繁琐，使用起来显得不十分便利：四是体积较大，配套设备较多， 携带多有不便；五是价格昂贵，不适宜普及。 以上这些问题在一定程度上影响了生物反馈技术的发展，甚至容易导致人们 对这项技术的怀疑。但是，随着研究的深入，问题的不断解决，基于生物反馈技 术的脑波理疗方法一定会有很广阔的前景。 1 5 课题主要研究内容及论文结构安排 主要是针对目前脑力劳动者普遍存在工作压力大，用脑耗氧多，睡眠不足， 导致精力分散、记忆力下降、失眠多梦，紧张不安，情绪低落等不良现象，开发 一种基于生物反馈技术的新型脑波理疗仪，通过仪器对q 脑电波进行诱导来改善 大脑机能，使人聚精会神，神经松弛，进入思维自由、心境放松，全神贯注地投 入工作和学习。本课题已开发研制出第一代新型脑波理疗仪，是一种小型的可佩 戴脑部的2 通道脑电波理疗设备。其佩戴理疗效果图如1 3 所示。 j 爱凳驾鬣；饕蒸鲨i 莲塑 图1 3 脑波理疗仪佩戴效果 本课题主要研究内容为： l 、声、光、电对人体生理肌体的作用和对脑波的影响。 2 、脑波检测、反馈放大电路的设计。 3 、一种新型脑波理疗仪的研制开发。 4 、基于生物反馈技术的脑波理疗仪的设计，包括其硬件设计和软件设计。 第1 章绪论 本论文结构安排如下： 第l 章，绪论，介绍生物反馈的发展历程，生物反馈的原理和机制，课题的 研究背景和意义，国内外研究现状，以及本课题所要研究的主要内容和课题创新 所在。 第2 章，研究生物反馈和声、光、电对人体生理肌体的作用以及对脑波的影 响。 第3 章，一种新型智能化脑波理疗仪的研制。包括硬件设计和软件设计，重 点介绍了低频脉冲控制电路的设计和无线遥控接收模块的设计。 第4 章，基于生物反馈技术的脑波理疗仪的设计和开发。论文中，详细介绍 了其硬件设计和软件设计，增加了反馈和检测模块以及u s b 通信模块，较好地实 现了数据存储、下载。u s b 通信，方便、快捷，兼容性好，可靠的理疗数据不仅 能够帮助人下一步更好地理疗，而且对今后设备改进和技术革新奠定了坚实的基 础。 第5 章，实验研究，给出了实验结果。 1 6 课题创新之处 本课题在学习研究国内外脑波理疗设备的基础上，将生物反馈技术引入了脑 波理疗系统，并提出了一些改进措施和新的理念， 主要有以下几点创新之处。 ( 1 ) 全方位利用声、光、电刺激技术，对人体进行脑波理疗，使之在较短的 时间内达到最佳理疗状态。 ( 2 ) 针对脑部穴位特点，对设备的整体结构和电极材料、接触面等进行专门 设计。 ( 3 ) 使用无线遥控按键操作，操作灵活方便。 ( 4 ) 使用u s b 串口通信，可灵活地将理疗过程数据存储、下载，以供进一步 参考和分析。 基于生物反馈的脑波理疗仪 第2 章生物反馈与声、光、电对人肌体及脑波的作用 2 1 生物反馈与应激阁 随着“生物一心理一社会”医学模式的建立，人们也越来越重视“应激与疾病的 关系。生物反馈作为一种心理治疗手段，其功效之一就是它的抗魔激佟用。 当生物遭受意孙刺激( 包括精神和躯体两个方面) 时，血中a e 删( 促肾上腺皮质激素， 由腺垂体分泌) 增加，糖皮质激素( 由肾上腺皮质分泌) 也相应增强。 把引起a c m 与糖皮质激素分泌增加的这类意外刺激( 又称紧张性刺激) 称为“应激刺 激”或“应激源”( s t r e s s o r ) ，所弓l 起的机体反应茹q “疲激 ( s 乞r e s s ) 。在这一反应中， 交感肾上腺髓质系统也兴奋，使血中儿酚胺量增加。 来自心理、社会的应激刺激，经过大脑皮层的认知作用，兴奋了某些部分的神经 元，通过神经递质将信息汇集于下丘脑，一方面通过下丘脑分泌的黼( 促肾上腺皮质激 素释放因子) 促进腺垂体释放a e 零嚣：一方嚣通过下丘脑神经中枢的作用，使肾上腺髓质的 活动加强。所以，应激反应是以下丘脑为中介的。 应激反应既表现为生理活动的改变，也表现为心理活动的改变。由于交感神经系统 活动的加强，使枫体带觉性提高，反应变得灵敏：气管的扩张和呼吸频率的增加，则使 肺通气量增加：心血管系统的变化是使心输出量增加、血压升高、血流循环加快，血流 再分配使骨骼肌的血流量增加、肌电活动加强：同时，新陈代谢也发生使血糖升高有利 供能的变化。很显然，这些反应对机体与环境作斗争( f i g h t ) 、争取时间、从而“脱险 ( f l i 曲t ) 都是很有利的，所_ 以也有人称这类反应为“f i 曲t f li g h t ”反应。 由于