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基于雙耳差頻的警覺度快速提高方法及裝置.pdf

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基于 雙耳差頻 警覺 快速 提高 方法 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201410012614.1

申請日:

20140110

公開號:

CN103751898A

公開日:

20140430

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:
IPC分類號: A61M21/00 主分類號: A61M21/00
申請人: 天津大學
發明人: 周鵬,高翔,王曉璐,王學民,薛然婷,明東,綦宏志
地址: 300072 天津市南開區衛津路92號
優先權: CN201410012614A
專利代理機構: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 代理人: 劉國威
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410012614.1

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明屬于生物醫學電信號檢測及相關裝置領域,為提供一種刺激方法,能夠在短時快速提高警覺度的同時不影響使用者的正常工作,為此,本發明采用的技術方案是,基于雙耳差頻的警覺度快速提高方法,包括如下步驟:使計算機產生粉噪聲和雙耳差頻信號,通過聲卡、耳機利用上述信號進行刺激。本發明主要應用于生物醫學電信號檢測及相關裝置。

權利要求書

1.一種基于雙耳差頻的警覺度快速提高方法,其特征是,包括如下步驟:使計算機產生粉噪聲和雙耳差頻信號,通過聲卡、耳機利用上述信號進行刺激。2.如權利要求1所述的基于雙耳差頻的警覺度快速提高方法,其特征是,雙耳差頻信號為16Hz、20Hz、24Hz三種不同調制頻率混合,差頻都處于EEG中β頻段,粉噪聲作為背景聲。3.一種基于雙耳差頻的警覺度快速提高裝置,其特征是,包括計算機及其聲卡、耳機,計算機產生粉噪聲和雙耳差頻信號,通過聲卡、耳機利用上述信號進行刺激。

說明書

技術領域

本發明屬于生物醫學電信號檢測及相關裝置領域,具體講,涉及基于雙耳差頻的警覺度快速提高方法。

背景技術

由于現代生活壓力的加大,工作強度的提高,經常長期處于亞健康狀態的人群逐漸增多,因此帶來了工作時注意力不集中,警覺度下降等問題。而例如執行特殊任務的軍人(潛艇海軍,飛行員等),機場調度人員、長途汽車司機、醫護工作者等高強度工作同時又需要保持較高的警覺水平。隨之而來的就是如何提高警覺度水平的問題。

國際上研究提高警覺度的方法主要有三類,即:物理調節法,化學調節法,和生理調節法。其中,物理調節法是指對人體施加某種特定刺激(如光、聲、電、磁等)或置于存在該刺激的外界環境中,從而提高其大腦警覺度;化學調節法是指通過攝取具有提高人體興奮度的天然或合成性的化學物質,進而使大腦警覺度水平保持在較高的水平;生理調節法則是指增加人體休息時間,完成自我修復過程,或者利用生物反饋,自生訓練等方式來對警覺度水平的提高產生積極影響。

在對人體腦電波的研究中發現,腦電活動主要分為四個頻段,即:delta頻段:<4Hz;theta頻段:4~7Hz;alpha頻段:8~12Hz;beta頻段:13~35Hz當人處于精神狀態集中,較為興奮的警覺狀態時。其腦電波的主要活動頻段在beta頻段。因此雙耳差頻(Binaural?Beat)作為一種通過雙耳間的差頻來誘導人腦主要頻段向beta等高頻段的遷移,從而提高人的警覺度與注意力的方法,早就被國際研究者所重視。1985年,Monroe等人通過實驗得到雙耳差頻在Beta腦波(16~24Hz)頻域范圍內可以增強被試專注力以提高警覺度。1998年Lane和Kasian等人以及1999年Sornson等人也進一步研究了該現象。這證明了當RAS(網狀激活系統)暴露在雙耳差頻中時,會出現明顯的改變。前期的專利主要集中于如何產生雙耳差頻的信號,申請號為200510021913.2的專利中提出一種生成雙耳差頻的方式。申請號為US8,204,234B2的美國專利也描述了一種從立體聲信號中產生雙耳差頻的方法。隨著個人筆記本(PC)的普及以及軟件的蓬勃發展。利用現有軟件就可以生成成本低廉,信號可控,頻率精度更高的差頻信號。因此當前關注的焦點便集中于采用何種方法施加雙耳差頻刺激以提高警覺度。

自1987年Oster,G提出雙耳差頻技術可以對人的認知行為帶來影響后,很多學者都對不同刺激參數與人體電生理信號,行為學等方面展開研究。

1985年Richard?A.Monroe等人通過實驗得到雙耳差頻在beta(16~24Hz)頻域范圍內可以增強被試專注力以提高警覺度。

1998年James?D.Lane和Stefan?J.Kasian等人證實在進行視覺警覺度任務的時候同時施加beta頻段的雙耳差頻(16或24Hz)的被試比同時施加delta頻段(1.5或4Hz)的正確率更高,同時負面情緒更小。

2004年Janice?C.McMurray在對11名患有注意力缺陷多動癥(ADHD)的患者施加beta(16或24Hz)的雙耳差頻刺激同時進行注意力任務。結果證實腦電的beta頻段能量升高,任務完成的更好。

2011年12月Pratt,H.,Starr等人比較了雙耳差頻與單耳差頻的異同,通過溯源發現二者都能夠激活被試的左顳區。

前期研究還發現,人對于雙耳差頻的感知是有條件的。一般來說,雙耳差頻信號的載波頻率要小于1500Hz,并且兩信號之間的頻率差必須在30Hz以下。同時,在不同載波頻率下,人耳對雙耳差頻聲音的感知閾值也是不同的。感知閾值是隨著載波頻率的改變而發生變化的。其中,人耳對中頻載波下的雙耳差頻聲音感知閾值較大,尤其在440Hz到550Hz頻段,可感知到的差頻范圍為0到20Hz以上。

發明內容

為克服現有技術的不足,本發明旨在提供一種刺激方法,能夠在短時快速提高警覺度的同時不影響使用者的正常工作,為此,本發明采用的技術方案是,基于雙耳差頻的警覺度快速提高方法,包括如下步驟:使計算機產生粉噪聲和雙耳差頻信號,通過聲卡、耳機利用上述信號進行刺激。

雙耳差頻信號為16Hz、20Hz、24Hz三種不同調制頻率混合,差頻都處于EEG中β頻段,粉噪聲作為背景聲。

基于雙耳差頻的警覺度快速提高裝置,包括計算機及其聲卡、耳機,計算機產生粉噪聲和雙耳差頻信號,通過聲卡、耳機利用上述信號進行刺激。

本發明的技術特點及效果:

因而本發明能實現提高使用者警覺度,適于宇航員、飛行員、執行特殊任務的軍人、長途汽車司機、醫護工作者等。

附圖說明

圖1硬件連接原理圖。

圖2刺激前后腦功率譜差值地形圖。

圖3刺激前后腦樣本熵柱狀圖。

圖4刺激前后腦網絡連接圖。

具體實施方式

本發明選擇440Hz和550Hz兩種頻率復合作為載波頻率,雙耳差頻為16Hz、20Hz、24Hz三種不同調制頻率混合,差頻都處于EEG中β頻段。同時施加粉噪聲作為背景聲,加入背景噪聲的目的是為了增加被試者的注意力,提高人耳對雙耳差頻聲信號的感知能力。佩戴具有立體音功能的降噪耳機,被試者將會聽到的節拍聲,即在中樞聽覺神經系統(CANS)處產生一個神經活動的匯聚。從而聽到處于人聽覺下限的16Hz、20Hz、24Hz音調。根據生物物理學觀點里的“極限環”效應,雙耳差頻所產生的處于beta頻率的震蕩可以耦合到人的大腦中,誘導調控大腦的節律,促使大腦的主要活動頻率被外部刺激頻率調制。相應的處于alpha頻段(8-14Hz)和beta頻段(14-30Hz)的高頻能量增強,delta頻段(1-4Hz)和theta頻段(4-8Hz)的低頻能量減弱。

硬件連接原理圖如圖1所示。刺激模式及概率如表1所示,經過20分鐘的刺激后,大腦的能量譜地形圖如圖2所示:圖中黑色部分為能量增強區域,白色部分為能量減弱區域。其中,能量計算公式為:

P = lim T → ∞ 1 2 T ∫ - T T x ( t ) 2 dt ]]>

使用者的大腦功率譜比使用前在alpha頻段與beta頻段有所提高,提高幅度約為40%-50%,而在delta頻段與theta頻段的能量下降約30%-40%。

如圖3所示,將腦電信號通過非線性動力學分析,其樣本熵的值在刺激后比刺激前顯著升高。這表明經過該雙耳差頻方法的刺激,人腦的非線性活動增強。樣本熵是用來表征信號復雜度的大小,其定義算法如下:

對于給定的N點的時間序列u(i),將其按順序組成m維矢量,即

Xm(i)=[u(i),u(i+1),…u(i+m-1)],(i=1-N-m)

給定一個相似容限值r(r>0),對每一個i值統計矢量Xm(i)與其余矢量Xm(j)之間的距離d[Xm(i),X(m)(j)]<r,(i,j=1~N-m,i≠j)的數目,以及此數目與總的距離數目N-m-1的比值,記作即:

理論上此序列的樣本熵為:

SamEn ( m , r , N ) = lim N → ∞ { - log | B ( r ) m + 1 B ( r ) m | } ]]>

其中m是預先選定的模式維數。本文中所用的m值為2,r值為20%。

同時,在圖4中淺灰色連線代表刺激前各導聯間的信息傳輸,深灰色連線代表刺激后各導聯間的信息傳輸。深灰色連線的數目明顯多于淺灰色連線的數目,這表明刺激后腦網絡的連接程度比刺激前有所增強。腦電中某一導聯信源發出信號x,通過信道后,另一導聯的信宿只可能收到由于干擾作用(即其他導聯信源對該信宿的傳遞信號)引起的某種變形的y。信宿收到y后推測信源發出x的概率,這一過程可由后驗概率p(x/y)來描述。相應地,信源發出x的概率p(x)稱為先驗概率。因此x的后驗概率與先驗概率比值的對數為y對x的互信息量即:

I ( X ; Y ) = ∫ Y ∫ X p ( x , y ) log ( p ( x , y ) p ( x ) p ( y ) ) dxdy ]]>

因此,互信息表征兩導聯信號間的信息傳輸情況,即不同腦區位置間連接程度。

從上面幾個方面,我們證實了該種雙耳差頻的方法能夠快速有效的激活被試大腦的線性與非線性活動,提高其警覺度與注意力。

總概率 模式 概率 左耳 概率 右耳 ? ? ? ? 30% 456Hz+566Hz 50% 模式一 ? 440Hz+550Hz 30% 460Hz+570Hz ? ? ? ? 30% 464Hz+574Hz ? ? ? ? 10% 440Hz+550Hz ? ? 30% 456Hz+566Hz ? ? 50% 模式二 30% 460Hz+570Hz ? 440Hz+550Hz ? ? 30% 464Hz+574Hz ? ? ? ? 10% 440Hz+550Hz ? ? 100% ? ? 粉噪 ? 粉噪

表1雙耳差頻模式及概率表

本發明的主旨是基于雙耳差頻技術提出一種新的提高使用者警覺度的刺激方法。該項發明適于宇航員、飛行員、執行特殊任務的軍人、長途汽車司機、醫護工作者等。可在不影響其正常工作的情況下,提高其當前狀態下的警覺度水平,和對突發事件的反應能力,能夠獲得可觀的社會效益。最佳實施方案擬采用專利轉讓、技術合作或產品開發。

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