專利名稱：基于腦電信號的智能喚醒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計ー種基于腦電(EEG, Electroencephalography)信號的智能喚醒系統(tǒng)。具體指，通過實(shí)時記錄與分析用戶的腦電中各種節(jié)律波的能量變化，系統(tǒng)能夠監(jiān)控用戶大腦的睡眠質(zhì)量與休息狀態(tài)，在用戶精神與體力經(jīng)過睡眠休息好恢復(fù)到最佳的時刻，自動喚醒處在特定的睡眠狀態(tài)下的睡眠者。本發(fā)明屬于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域和信息技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用。
背景技術(shù)：
睡眠對人的身體健康和精神狀態(tài)的影響是不言而喻的。ー個睡眠質(zhì)量高的人，不僅能夠有效的緩解疲憊，而且能夠快速的以更加飽滿的精神狀態(tài)投入新一天的工作。其中適當(dāng)?shù)乃邥r間是高質(zhì)量睡眠的必要條件之一。好的睡眠應(yīng)該是適當(dāng)而合理的，并不是睡 的時間越長，獲得的睡眠質(zhì)量就越高。事實(shí)上，過長的睡眠不僅造成時間的浪費(fèi)，往往還會適得其反。研究發(fā)現(xiàn)，睡眠時間過長與睡眠不足一祥，都可導(dǎo)致神疲、體倦、代謝率降低。而且，長時間的睡眠后，心臟的跳動便會減慢，血液中含氧量降低，新陳代謝率亦會降得很低，肌肉組織松弛下來，久而久之，人就會變得懶情、軟弱無力起來，甚至智力也會隨之下降。所以，針對每個人的狀態(tài)，監(jiān)控其睡眠狀態(tài)，在其精神和體力的恢復(fù)達(dá)到最佳的時刻進(jìn)行喚醒，有助于睡眠質(zhì)量的提高。目前，市場上也出現(xiàn)的門類繁多的輔助睡眠產(chǎn)品，其功能大多集中于如何幫助用戶快速入睡；在睡眠喚醒系統(tǒng)中，主要是采用電子鬧鐘的方式，定時喚醒睡眠者，很少有產(chǎn)品致カ于科學(xué)地分析用戶的睡眠狀態(tài)，適時地喚醒睡眠者。但用戶精神與體力恢復(fù)需要的睡眠時間沒有ー個統(tǒng)ー的標(biāo)準(zhǔn)。目前的科學(xué)調(diào)查結(jié)果表明不同年齡段的人群，適宜的睡眠時間有很大差異。例如，五歲到十八歲的未成年人每天的睡眠時間應(yīng)該是九到十二個小時；而成年人應(yīng)睡七到八個小吋，不少于六小時；六十到七十歲的人應(yīng)不少于九個小時。類似的這些調(diào)查數(shù)據(jù)，給出了不同年齡段的人在一般情況下，每天大致合適的睡眠時間。然而這些數(shù)據(jù)反應(yīng)的只是整體的情況，具體到每個人特有的生物鐘和睡眠環(huán)境、身體狀況等，用戶的睡眠質(zhì)量會有顯著差異，要想達(dá)到較好的體力與精力恢復(fù)，需要的睡眠時間很難提前設(shè)定。因此，目前的電子鬧鐘等定時喚醒方式在應(yīng)用中就不能很好地適應(yīng)用戶當(dāng)前的睡眠狀態(tài)。為了解決喚醒時間的確定這個問題，本發(fā)明借助于腦電波的記錄與分析，設(shè)計了智能喚醒系統(tǒng)。本發(fā)明的基礎(chǔ)在于睡眠的進(jìn)程與腦電波節(jié)律波之間密不可分的關(guān)系。睡眠狀態(tài)的腦電研究已經(jīng)表明一次睡眠其實(shí)是數(shù)個睡眠周期的重復(fù)，而每個睡眠周期又包括前后兩個階段，即慢波睡眠階段和異相睡眠階段。慢波睡眠階段又稱非快速眼動睡眠，主要功能是恢復(fù)體力，這個階段腦電中高低頻率混合，而以低頻率的Θ節(jié)律波分量(4 7赫茲)為主，研究表明此時Θ節(jié)律波的能量占腦電波總能量的50%以上。異相睡眠階段又稱快速眼動睡眠，主要用于恢復(fù)腦力，這個階段腦電中20赫茲以上的高β節(jié)律波(20 30赫茲)占腦電波總能量比例顯著上升，但高β節(jié)律波能量所占具體比例不確定。雖然由慢波睡眠階段和異相睡眠階段組成的一個完整的睡眠周期，時間長度不固定，但睡眠的周期性還是可以從整個睡眠過程中的腦電節(jié)律波能量比例的交替變化中體現(xiàn)出來。心理學(xué)上的研究表明，對于睡眠者，最為理想的喚醒應(yīng)當(dāng)發(fā)生在第四個周期末。但是，不同的人睡眠周期的時間長度都是不一樣的；即使是同一個人，在不同的年齡段和不同的生理狀態(tài)下，其每個睡眠周期的時間長度也是不盡相同的。傳統(tǒng)的鬧鐘喚醒的方法，很難提前確定最佳的喚醒時間點(diǎn)(第四個周期末)并喚醒睡眠者。然而，從腦電分析的角度，借助腦電實(shí)時采集與分析裝置，我們能實(shí)時監(jiān)控用戶的睡眠進(jìn)程，并自動識別最佳的喚醒時間點(diǎn)即在睡眠的整個過程中對腦電進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)?shù)谖宕螜z測到睡眠者的異相睡眠階段結(jié)束，開始再次進(jìn)入慢波睡眠階段時，可確定第四個周期已經(jīng)結(jié)束，此時即為最佳的喚醒時刻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的智能喚醒系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)控睡眠者腦電變化，通過分析腦電特定節(jié)律波變化，在睡眠過程的第四個周期的結(jié)尾將睡眠者喚醒，從而使睡眠者在最短的時間內(nèi)，體力與精力都得到理想的恢復(fù)。
本智能喚醒系統(tǒng)包括腦電信號采集、腦電信號處理和睡眠喚醒三個模塊。其中，腦電信號采集模塊通過分布在頭上前額附近的電極，電極作為傳感器記錄睡眠者的大腦活動誘發(fā)的頭皮電壓信號，電極上感應(yīng)到的電壓信號經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)理后，傳送到信號處理模塊。信號處理模塊對接收到的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，每隔I分鐘檢測腦電中的Θ節(jié)律波與高β節(jié)律波所占的比例，并與前面4分鐘的腦電節(jié)律波變化進(jìn)行對比，在較長的時間內(nèi)分析用戶的睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變情況，排除單次檢測中可能存在的噪聲影響。在第五次檢測到睡眠者的異相睡眠階段結(jié)束，開始再次進(jìn)入慢波睡眠階段時，信號處理模塊便利用集成的無線傳輸設(shè)備向喚醒模塊發(fā)送喚醒指令；喚醒模塊一直處于實(shí)時的待命狀態(tài)，當(dāng)接到來自信號處理模塊的喚醒指令后，喚醒模塊啟動喚醒裝置將睡眠者喚醒。系統(tǒng)的整體框圖如圖I所示。為使整個系統(tǒng)的工作方式更為靈活，模塊間的連接更加便捷，本發(fā)明中信號處理模塊將使用無線傳輸?shù)姆绞綄拘涯K發(fā)送指令。無線收發(fā)模塊則使用ー組(發(fā)送端和接收端各ー個)高性能的射頻收發(fā)芯片CC1100E設(shè)計完成。這里需要說明的是，本發(fā)明g在從睡眠的科學(xué)喚醒這樣ー個新的角度，設(shè)計ー種新型的基于腦電檢測的喚醒系統(tǒng)，為睡眠者科學(xué)的規(guī)劃睡眠時間。


圖I基于腦電信號的智能喚醒系統(tǒng)的整體框圖。圖2基于CC1100E芯片所設(shè)計的無線收發(fā)電路，芯片工作在470MHZ的頻率下。圖3喚醒裝置的驅(qū)動電路。
具體實(shí)施例方式該系統(tǒng)包括以下三個模塊，其具體實(shí)施如下信號采集模塊信號采集模塊主要的功能在于記錄睡眠者的腦電波。腦電采集包括微針式干電極，信號調(diào)理電路組成。腦電采集模塊通過粘貼于睡眠者前額的電極來采集睡眠者頭皮上的微弱的電壓信號。本發(fā)明使用微針式干電極。干電極是相對于傳統(tǒng)的濕電極而言。使用濕電極采集腦，需要在人的頭皮上涂抹電極膏，涂抹電極膏的目的在于降低頭皮角質(zhì)層的超高阻杭。而我們使用的微針式干電極能夠使用微針刺穿角質(zhì)層，消除角質(zhì)層高阻抗的影響，故不需要涂抹電極膏。使用微針式干電極不僅方便，而且解決了濕電極在長時間采集過程中由于電極膏變干燥而導(dǎo)致的采樣失真問題。信號采集模塊采用單極導(dǎo)聯(lián)的方式記錄頭皮腦電，其中參考電極放置在耳垂后部，而采樣電極放置在與睡眠狀態(tài)相關(guān)的前額緊貼頭皮。電極記錄的電壓信號隨后通過帶屏蔽的電極導(dǎo)聯(lián)線進(jìn)入采集模塊中的調(diào)理電路完成信號放大，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等初歩處理。最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的腦電信號直接進(jìn)入信號處理模塊。信號處理模塊信號處理模塊的主要功能是監(jiān)控用戶的睡眠狀態(tài)，并在喚醒條件成立時通過無線發(fā)送裝置向喚醒模塊發(fā)送指令。信號處理模塊由嵌入式系統(tǒng)完成對采集的腦電數(shù)據(jù)的兩個操作ー個操作是實(shí)時的腦電數(shù)據(jù)分割，以一分鐘為單位將腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分割；另ー個操作是對剛剛分割出來的I分鐘內(nèi)的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)律波能量分析，當(dāng)前數(shù)據(jù)處理完成后再進(jìn)行下一分鐘數(shù)據(jù)的處理。每一分鐘的數(shù)據(jù)處理流程如下(I)這段腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，以濾除腦電中的直流及エ頻等高頻噪聲，濾波頻 率O. 5-42赫茲。(2)分割后的I分鐘腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜估計，得到其腦電信號的節(jié)律波功率譜(能量的頻率分布)。(3)計算Θ節(jié)律波與高β節(jié)律波在I分鐘內(nèi)的平均能量,將Θ節(jié)律波與高β節(jié)律波能量比值記為lk，前I分鐘的能量比值為V1，前2，3，4，5分鐘的能量比值依次為lk_2，lk_3，lk_4，lk_5。這里k為大于5的自然數(shù)，前5分鐘不進(jìn)行判斷。(4)計算Θ節(jié)律波與高β節(jié)律的能量比例變化規(guī)律，當(dāng)lk> Ijrf，說明Θ節(jié)律波在增加，高β節(jié)律波能量在減少，睡眠可能正從異相睡眠階段向慢波睡眠階段轉(zhuǎn)變，記dk=I ;否則，睡眠可能正從慢波睡眠階段向異相睡眠階段轉(zhuǎn)變，記dk = O。(5)確定用戶當(dāng)前處于睡眠周期的哪個階段，如果4，則表明最近5分鐘
內(nèi)有四次Θ節(jié)律波在増加，高β節(jié)律波能量在減少，可認(rèn)定當(dāng)前處于慢波睡眠階段，表明
一個完整的睡眠周期開始，記Pk= I ;如果則表明最近5分鐘內(nèi)有四次Θ節(jié)律
波在減少，高β節(jié)律波能量在増加，可認(rèn)定當(dāng)前處于異相睡眠階段，記Pk = O ;其它情況可認(rèn)為處于慢波睡眠與異相睡眠的臨界狀態(tài)或沒有進(jìn)入睡眠狀態(tài)，記Pk = O。(6)睡眠周期開始階段的檢測，確定什么時刻睡眠者正式由異相睡眠再次進(jìn)入慢波睡眠階段，或者第一次進(jìn)入慢波睡眠階段，這些時刻都是ー個完整睡眠周期的起始。如果Pk-Pk-! = 1，表明一個新的睡眠周期開始，此時睡眠周期計數(shù)器加I。(7)喚醒時刻的確定，當(dāng)睡眠周期計數(shù)器的值累加到5的時候，信號處理模塊將會通過無線發(fā)送裝置將喚醒指令送與喚醒模塊，發(fā)送端電路使用基于CCl 100Ε芯片設(shè)計的無線收發(fā)電路，其工作頻率為470ΜΗΖ，電路圖如圖2。睡眠喚醒模塊睡眠喚醒模塊的主要作用是，通過無線接收裝置，接收到睡眠喚醒模塊所傳輸?shù)膯拘阎噶詈髥铀邌拘蜒b置。此模塊包括兩個部分第一部分由CC1100E芯片和其相應(yīng)的外圍電路組成的無線接收端，接收端電路同樣使用基于CCl 100Ε設(shè)計的無線收發(fā)電路，電路圖如圖2，即發(fā)送端和接收端所使用的CC1100E的電路配置是相同的，接收端電路工作頻率同樣為470ΜΗΖ ;第二部分則是受CC1100E控制的可對喚醒裝置進(jìn)行驅(qū)動的驅(qū)動電路(電路圖如圖3)，驅(qū)動電路是由一個三級管放大電路和ー個光電耦合電路組成。當(dāng)喚醒模塊收到喚醒指令時，觸發(fā)CC1100E向GD02端ロ輸出高電平同時輸出微弱的電流，此電流經(jīng)過三極管放大電路放大后，可以驅(qū)動光電耦合元件從而使喚醒模塊工作。需要說明的是光耦元件不僅能作為可控開關(guān)使用，同時對整個電路起到隔離的作用，使得工作時的喚醒裝置不至于對CC1100E的無線接收造成干擾。在實(shí)際的應(yīng)用中，系統(tǒng)包含有信號采集模塊、信號處理模塊以及睡眠喚醒模塊三個部分協(xié)同工作。信號采集模塊通過附著在睡眠者頭皮上的電極記錄腦電信號，將采集到的原始腦電信號傳入嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)完成實(shí)時的腦電處理，毎次開始應(yīng)用時，睡眠 周期累加器自動置O。當(dāng)睡眠周期累加到5吋，即此時可知睡眠者已達(dá)充足的睡眠，嵌入式系統(tǒng)就會向睡眠喚醒模塊發(fā)送ー個睡眠喚醒指令，睡眠喚醒模塊啟動睡眠喚醒裝置，如鬧鈴或振動裝置將睡眠者被喚醒。
權(quán)利要求
1.基于腦電信號的智能喚醒系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的特征在于，包括信號采集、信號處理及睡眠喚醒三個模塊 所述的信號采集模塊，主要功能為采集睡眠者的腦電信號，其中微式干電極粘貼于頭皮前額附近，并采用單極導(dǎo)聯(lián)的方式記錄頭皮上的腦電信號； 所述的信號處理模塊，為運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)上的腦電處理程，主要功能為對原始的腦電信號進(jìn)行節(jié)律波能量分析，監(jiān)控用戶的睡眠進(jìn)程； 所述喚醒模塊，主要功能為，通過無線接收的方式，接受信號處理模塊發(fā)出的喚醒指令，并在收到喚醒指令后，啟動鬧鈴及振動裝置將睡眠者喚醒。
2.如權(quán)利要求I所述的智能喚醒系統(tǒng)，其信號處理模塊主要是通過腦電信號中節(jié)律波能量的變化規(guī)律的分析，來檢測睡眠的進(jìn)程，包括 (1)腦電信號的分割，基于滑動窗技術(shù)的連續(xù)腦電信號分割模塊，滑動窗長度為I分鐘，滑動窗內(nèi)的I分鐘腦電信號，形成一個基本的信號處理對象，也就是說系統(tǒng)以分鐘為每隔檢測睡眠進(jìn)程； (2)腦電節(jié)律波能量的實(shí)時計算，對當(dāng)前窗內(nèi)I分鐘的腦電信號，計算其中的e節(jié)律(4-7Hz)及高^節(jié)律(20-30Hz)的能量比例； (3)睡眠周期中慢波睡眠與異相睡眠階段的確定，通過最近5分鐘內(nèi)0節(jié)律與高@節(jié)律的能量比例的變化趨勢，來判斷當(dāng)前處理哪個睡眠階段； (4)檢測最佳的喚醒時刻，每次開始時睡眠周期計數(shù)器置O，當(dāng)檢測到睡眠者從異相睡眠階段進(jìn)入慢波睡眠階段后，睡眠周期計數(shù)器自動加1，當(dāng)睡眠周期計數(shù)器累加到5后，向喚醒模塊發(fā)出喚醒指令。
3.如權(quán)利要求I所述的智能喚醒系統(tǒng)，其睡眠喚醒模塊的特征在于基于CClIOOE芯片設(shè)計實(shí)現(xiàn)的工作在470MHZ的實(shí)時信號接收電路；由喚醒指令觸發(fā)的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接收到喚醒指令后，輸出微弱的電流，經(jīng)三極管放大后，驅(qū)動光耦元件，從而使鬧鈴或震動器工作。
全文摘要
本發(fā)明提供的基于腦電信號的智能喚醒系統(tǒng)可實(shí)時采集睡眠者腦電變化，通過分析腦電信號中節(jié)律波能量比例的變化，監(jiān)控用戶的睡眠進(jìn)程，并適時地將睡眠者喚醒，從而使睡眠者在最短的時間內(nèi)，獲得體力與精力的恢復(fù)。本系統(tǒng)包括腦電信號采集、腦電信號處理和睡眠喚醒三個模塊。信號采集模塊通過粘貼在頭皮前額附近的電極記錄睡眠者的腦電信號，并將采集到腦電信號傳輸給信號處理模塊。信號處理模塊對腦電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)律波的能量分析，并從腦電節(jié)律波的變化中監(jiān)控睡眠的進(jìn)程。當(dāng)檢測到睡眠者處于最佳的喚醒狀態(tài)時，信號處理模塊以無線傳輸?shù)姆绞綄拘阎噶顐魉徒o喚醒模塊。喚醒模塊接到喚醒指令后，喚醒模塊啟動鬧鈴或振動裝置將睡眠者喚醒。
文檔編號A61M21/00GK102671276SQ201210185958
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者姚力, 張家才, 張梁, 李政宏, 詹鈺 申請人:北京師范大學(xué)