基于单片机的脑波治疗仪研制

O 引言
    社会和科学技术的迅速发展给我们带来了高质量的生活，但在复杂而充满紧张的社会变革中，人们承受的压力也在增加，失眠、抑郁、狂躁、情绪不稳等许多身心问题日益严重。因此，研制一种有效的精神治疗仪具有重要的现实意义。研究发现，在某些频率下，尤其在α和θ范围内，以节奏性闪光去刺激人脑会减轻测试者的焦虑症状；同时，科学家们又对脑波的听觉驱动进行调查，即用特殊频率的声音(如节奏性滴答声、音调或漩涡声振动)来刺激大脑，然后再用EEG(electroencephalogram脑电图)设备来监视大脑，结果发现大脑的确在与声音相同频率下，以增加大脑活动来回应节奏性听觉刺激。研究发现，在声音和光的双重诱导作用下，大脑的两脑半球进入一种更结合或同步的状态(brain sync)，即脑波同步状态，并诱发人脑产生α、β、θ、δ频率的脑电波，而这几种脑电波又与人的精神状态有着至关重要的联系。脑电波和人精神状态的关系如表l所示。

    根据这个原理，可以藉由声音和光的双重引导式作用，诱使人脑产生α、β、θ、δ四种频率的节律波，从而能使人的情绪获得快速有效的释放，以及正面的改善。

l 系统设计及实现
    如图l所示，系统外围包括：数模转换器，多路模拟开关，电极，光电眼镜，立体声耳机，按键，LED显示，指示灯显示等。

    本设计应用AT89C52为主心芯片，单片机P0口输出数字信号，经过DAC0832，组成的数模转换电路后，得到我们治疗所需的正弦调幅波信号，信号经过模拟开关CD4053后，产生两路具有一定时间差的信号。这两路信号经LM324组成的前置放大电路后，再经TDA2030组成的音频功率放大电路处理，输出的信号可以使听者通过立体声耳机听到这些特殊编制频率的治疗波。再者，外部音乐(如CD、MP3等)可以从音频功放前输入，治疗的同时再配合播放一些自然音乐，能更很好的缓解紧张的情绪和达到好的治疗效果。另外，两路信号分别经过LM324组成的检波电路，再由LM3915去驱动条形LED发光管发光，以条形发光管的显示数量来直观显示声音信号的强度。

    此外，单片机P0口还输出的信号，同样经过数模转换芯电路，得到一系列预设频率的脉冲信号，脉冲强度同样可以由LED条形发光管显示。
    单片机端口RXD和TXD产生的预设光频率信号，经光信号驱动电路，从光电眼镜输出，其输出状态由LED指示灯显示。

2 系统硬件实现
2．1 检波电路设计
    LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路，电路功耗小，工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。这种电路用于测量不同频段信号的强度值，做为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示器上利用发光二极管点亮的多少来指示信号幅度的大小。电路设计如图2。由于治疗波是高频正弦调幅波，我们利用LM324组成的带通滤波电路便能检出治疗波的包络。可

2．2 声光强度显示电路设计
    LM3914是用来检测模拟信号电平、驱动10位LED进行线性模拟显示的单片集成电路，可以很方便地实现电压指示、展宽刻度、零位指示、可视报警，时序发生等多种用途。从5脚处输入经过处理的声光信号，LED的显示数量与输入电压相对应，这样声光强度便由点亮LED的多少来直观显示，显示电路的连接如图3。

2．3 光信号驱动电路设计
    系统的光信号由单片机的串行口RXD和TXD输出，光信号由一系列特殊占空比和频率可调的窄脉冲组成，通过此驱动电路，以便提高系统的带负载能力，达到多路输出的要求。此电路组成了两级射极更随器电路，Au=1。通过调节电阻R2，可以调整输出信号的强度。
2．4 电源电路设计
    本治疗系统主要需要为运放电路提供±12V直流电压，单片机控制电路提供+5V电压，同时还为数模转换芯片提供一5V基准电压。因此，整个系统需要±5V、±12V的直流电压。电源电路设计如下，市电经过集成电压模块后得到所需直流电压，为声光和脉冲控制电路供电。如图5所示：

3 系统软件设计
    系统软件要求用C5l语言或汇编语言来编辑。系统软件功能主要包括：声光控制和电疗脉冲部分控制流程。声光控制部分的流程包括先将单片机初始化，再去选择节目，然后执行预设功能，包括音量增减功能，音频增减功能，监听功能，噪声／音频功能，运行／保持功能。系统声光控制部分流程图如图6。电治疗脉冲部分的流程图包括：初始化单片机，脉冲功能设定。

4 结果与讨论
    经过实验证明，本治疗仪能得到不同频率的治疗信号。治疗如何，还需要进行临床上的测试，根据反馈的信息不断地改进。治疗仪的现有功能基本可以满足绝大部分的实际工作需要。同时，还可通过软件的升级和在电刺激控制和光刺激部分加入用户自定义刺激方案的功能后将会使其应用更具灵活性。