0 引 言
    隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏愈來(lái)愈快，精神壓力越來(lái)越大，越來(lái)越多的人出現(xiàn)了睡眠障礙。研究表明，睡眠效果的判定，不僅要看睡眠時(shí)間的長(zhǎng)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(wú)疑還是藥物，但用藥物糾正睡眠障礙對(duì)人體形成的危害越來(lái)越引起關(guān)注。除藥物副作用外，藥物依賴也是一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)，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(yī)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(diǎn)是治療中刺激的參數(shù)對(duì)所有患者都是一樣的，很難針對(duì)特定患者個(gè)體確定合適的刺激參數(shù)。另外，由于這些方法的作用機(jī)制尚不明了，不同方法的治療效果因不同的個(gè)體而異，確切療效尚待進(jìn)一步證實(shí)。目前，還未見(jiàn)有一種儀器能根據(jù)患者的睡眠進(jìn)程狀態(tài)和睡眠時(shí)所表現(xiàn)的個(gè)體差異產(chǎn)生自適應(yīng)的刺激模式，從而改善睡眠的報(bào)道。
    本文提出一種由計(jì)算機(jī)與腦信息交互實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠障礙的神經(jīng)反饋治療裝置，試圖研制一種個(gè)性化睡眠障礙矯治儀器。

1 方法
1．1 系統(tǒng)概述
    近年來(lái)，睡眠腦電的研究取得了很大進(jìn)展。根據(jù)睡眠腦電的分析，已可定量判斷睡眠的質(zhì)量。人們通過(guò)不同方法，如時(shí)頻分析、小波變換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息熵等理論對(duì)睡眠腦電進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)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(guó)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(dòng)(Rapid Eye Movement，REM)睡眠和非快眼動(dòng)(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(gè)期，按其深度分別標(biāo)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(gè)不同的狀態(tài)。最近的研究表明，隨著睡眠的加深，睡眠腦電的回歸復(fù)雜度持續(xù)下降，睡眠腦電的回歸復(fù)雜度可作為衡量睡眠質(zhì)量一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的指標(biāo)。
    基于上述分析，提出一種基于睡眠深度定量分析的個(gè)性化自適應(yīng)神經(jīng)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(hào)，并進(jìn)行放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換；第二，提取受試者不同睡眠期四道腦電回歸復(fù)雜度的平均值，該平均值即是睡眠深度的量化結(jié)果；第三，根據(jù)受試者睡眠深度的定量值，經(jīng)過(guò)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(shù)；第四，在該模式下的刺激信號(hào)通過(guò)與腦電采集時(shí)的同一組電極，作用于腦部，60 s后停止刺激，開(kāi)始再次采集12 s腦電并計(jì)算回歸復(fù)雜度，了解新刺激條件下睡眠質(zhì)量的定量值，對(duì)比本次刺激與前次刺激對(duì)睡眠的影響情況，決定下一步刺激模式的調(diào)整方案。系統(tǒng)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(pán)電極，分別置于頭皮頂葉的四個(gè)部位F3，F(xiàn)4，C3，C4處，參考電極A1和A2則置于耳垂。借助于一個(gè)雙向電子開(kāi)關(guān)74LS245，利用放置在受試者頭皮的同一組電極，交替執(zhí)行12 s腦電采集和60 s大腦刺激任務(wù)。雙向電子開(kāi)關(guān)74LS245開(kāi)通的方向是由CPU的一個(gè)輸入／輸出端口控制的。
    腦電放大器的第一級(jí)由運(yùn)放電路構(gòu)成電壓跟隨器，以提高放大電路的共模抑制比和輸入阻抗?？紤]到供電與功耗的問(wèn)題，放大電路可選用微功耗可低電壓工作的四運(yùn)放運(yùn)算放大器芯片LM324，其結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低。放大電路的第二級(jí)選用了功率放大芯片LM386。后級(jí)是一個(gè)帶通濾波器，通帶為0．5～70 Hz，可以濾除腦電的高頻分量和一些高頻干擾信號(hào)。電路中應(yīng)設(shè)置60 Hz工頻濾除電路，即工頻陷波。經(jīng)過(guò)放大調(diào)理后的腦電信號(hào)，幅值應(yīng)在0～5 V之間。
1．3 回歸復(fù)雜度
    對(duì)于N點(diǎn)的原始一維時(shí)間序列，如腦電圖時(shí)間序列ui，通過(guò)時(shí)間延遲的方法，可以重建得到一組相空間中的向量：
   
    式中：τ是延遲時(shí)間；m是嵌入維數(shù)。
    將上述向量采用如下所述的的算法在二維平面上展示出來(lái)，進(jìn)而分析該序列的相關(guān)特性和二維圖中每一點(diǎn)表示的時(shí)間i和時(shí)間j之間是否存在著復(fù)原關(guān)系，這樣的二維圖稱之為回歸圖。
    在數(shù)學(xué)上，回歸圖計(jì)算公式可以表示為：
   
    式中：εi是截止距離；||·||表示范數(shù)；@(z)是Heavi-side函數(shù)
    本裝置所進(jìn)行的計(jì)算中，嵌入維數(shù)m和時(shí)間延遲τ均取3，截止距離εi取所有向量距離中最大值的5％。在按上述方法得到腦電的回歸圖后，定義回歸復(fù)雜度為回歸圖上回歸點(diǎn)所占的比例：

        該回歸復(fù)雜度的取值在0～1之間。根據(jù)回歸復(fù)雜度與睡眠的深度基本成正比的關(guān)系，可判斷睡眠質(zhì)量越好，回歸復(fù)雜度越?。凰哔|(zhì)量越差，回歸復(fù)雜度越大。圖2(a)為睡眠質(zhì)量較高時(shí)，回歸復(fù)雜度為0．17的回歸圖；圖2(b)為睡眠質(zhì)量不高時(shí)，回歸復(fù)雜度為0．71的回歸圖。

    根據(jù)計(jì)算的腦電信號(hào)的回歸復(fù)雜度指數(shù)值，直接將睡眠的深度量級(jí)用回歸復(fù)雜度指數(shù)代表。即提取受試者不同睡眠期四道腦電回歸復(fù)雜度的平均值，該平均值是睡眠深度的量化結(jié)果。
1．4 刺激波形的產(chǎn)生
    本文提出的個(gè)性化神經(jīng)反饋失眠治療裝置，是由一個(gè)CPU為C8051的單片機(jī)控制的。C8051單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、5個(gè)通用16位定時(shí)器、內(nèi)部可編程振蕩器、低功耗128 B的非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及豐富的輸入輸出資源，擴(kuò)展系統(tǒng)中還包含64 KB的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和64 KB的只讀存儲(chǔ)器ROM。運(yùn)用系統(tǒng)中的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路通過(guò)編程可以產(chǎn)生方波、三角波和正弦波等不同波形和參數(shù)的刺激模式，通過(guò)在程序中加人延時(shí)程序可以改變刺激波形的頻率，通過(guò)改變數(shù)／模轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)值調(diào)節(jié)刺激波形的幅度。
    利用單片機(jī)內(nèi)部可編程振蕩器作為單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘，內(nèi)部的參考電壓作為數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路的參考電壓，其中數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路的寄存器的值分別在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中設(shè)定，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)由功率放大器進(jìn)行幅度放大。
1．5 刺激模式的確定
    根據(jù)睡眠深度的定量評(píng)價(jià)值，可以采取不同的刺激策略。
    (1)如果是首次刺激，預(yù)先確定一個(gè)固定的刺激模式作為起始刺激。該起始刺激根據(jù)回歸復(fù)雜度的大小來(lái)確定，當(dāng)回歸復(fù)雜度小于0．2時(shí)，無(wú)需刺激；當(dāng)回歸復(fù)雜度大于等于0．2且小于0．4時(shí)，采用1 Hz，1 V的正弦波作為起始刺激；當(dāng)回歸復(fù)雜度大于等于0．4且小于0．6時(shí)，采用5 Hz，5 V的正弦波作為起始刺激；當(dāng)回歸復(fù)雜度大于等于0．6時(shí)，采用10 Hz，10 V的正弦波作為起始刺激。
    (2)如果目前實(shí)施的刺激不是首次刺激，則通過(guò)將本次刺激與上次刺激產(chǎn)生的睡眠效果相比較而確定。
    ①如果發(fā)現(xiàn)本次刺激隨著刺激參數(shù)的改變，第一次判定為睡眠質(zhì)量有所改善，則維持這個(gè)刺激模式。
    ②如果在本次刺激模式條件下已是第二次判斷為改善，則對(duì)該刺激模式進(jìn)行步進(jìn)遞增，該步進(jìn)遞增，是指在容許的刺激參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)刺激頻率和刺激幅度分別增加1 Hz和1 V，如果對(duì)該波形使用的刺激參數(shù)已到容許的最大值，則換下一種波形從1 Hz，1 V重新開(kāi)始。
    ③如果發(fā)現(xiàn)本次刺激隨著刺激參數(shù)的改變，第一次判定為睡眠質(zhì)量有所下降，則取消這次參數(shù)調(diào)整，回到先前的刺激模式。
    ④如果在本次刺激模式條件下已是第二次判定為睡眠質(zhì)量下降，則對(duì)本次刺激模式進(jìn)行步進(jìn)遞減，該步進(jìn)遞減，是指在允許的刺激參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)刺激頻率和刺激幅度分別減少1 Hz和1 V，如果對(duì)該波形使用的刺激參數(shù)已減到允許范圍內(nèi)的最小值，則依次換一種波形從允許的最大值重新開(kāi)始。
    (3)按照確定的刺激模式，對(duì)受試者實(shí)施新一輪的60 s電刺激。
    上述刺激也可以采用圖3說(shuō)明。刺激模式包括波形和參數(shù)，本系統(tǒng)所用的波形共有三種，依次為：方波、正弦波、三角波；參數(shù)每調(diào)整一次，就要在刺激60 s后反饋采集12 s腦電信號(hào)，分析了解刺激模式調(diào)整對(duì)睡眠的影響，即將本次刺激與前次刺激對(duì)睡眠的影響進(jìn)行對(duì)比，決定下一步刺激模式的調(diào)整。

2 結(jié)果與討論
    經(jīng)兩例實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)能有效改善失眠癥狀，提高睡眠質(zhì)量。系統(tǒng)取得良好矯治效果的原因包括：
    (1)電極在頭皮上的分布位置安排是綜合考慮了腦電采集、刺激效果和臨床應(yīng)用的便利等多個(gè)因素的；
    (2)采用腦電回歸復(fù)雜度計(jì)算算法確定睡眠質(zhì)量，耗時(shí)少，可達(dá)到實(shí)時(shí)處理腦電的要求；
    (3)腦部電刺激和腦電采集是通過(guò)同一組電極完成的，使放置在受試者頭皮上的電極大幅度減少，更切合臨床應(yīng)用實(shí)際；
    (4)比較刺激參數(shù)調(diào)整前后睡眠質(zhì)量的改變，決定刺激參數(shù)的調(diào)整策略，這個(gè)反饋治療方法與裝置完全是個(gè)性化的，克服了過(guò)去失眠治療儀刺激方法和參數(shù)千人一律的不科學(xué)狀況；
    (5)本文所提方法是用腦電來(lái)定量監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量，在睡眠好時(shí)，可能不產(chǎn)生刺激或產(chǎn)生的刺激會(huì)進(jìn)一步維持這個(gè)好的睡眠；在睡眠不好時(shí)，會(huì)有多種刺激模式可自適應(yīng)改變，包括刺激的波形(如三角波、矩形波、正弦波)和刺激參數(shù)(包括幅度、頻率等)，腦刺激的效果隨時(shí)受腦電監(jiān)控，矯治效果是可以得到保證的。
    本系統(tǒng)的抗干擾性能可通過(guò)軟硬件結(jié)合的綜合措施予以保證。在輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，該差動(dòng)放大電路有良好的共模抑制比，一般達(dá)80～90 dB o在程序設(shè)計(jì)時(shí)，多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方人為插入一些空指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書(shū)寫(xiě)；在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入單字節(jié)空指令操作，來(lái)保護(hù)在單片機(jī)CPU受到干擾時(shí)，程序可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移。當(dāng)程序在受干擾的情況下可能轉(zhuǎn)移到非程序區(qū)，指令冗余不再起作用，而軟件陷阱可利用一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向出錯(cuò)處理程序。軟件陷阱一般安排在未使用的中斷向量區(qū)，未使用的大片只讀存儲(chǔ)器ROM空間、程序區(qū)的斷裂點(diǎn)處。由于采取了這些措施，有效防止了干擾對(duì)本系統(tǒng)的影響。
    當(dāng)然，本文提出的系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的臨床研究和驗(yàn)證，其進(jìn)一步完善是必要的。