基于脑电信号的智能唤醒系统技术方案

本发明专利技术提供的基于脑电信号的智能唤醒系统可实时采集睡眠者脑电变化，通过分析脑电信号中节律波能量比例的变化，监控用户的睡眠进程，并适时地将睡眠者唤醒，从而使睡眠者在最短的时间内，获得体力与精力的恢复。本系统包括脑电信号采集、脑电信号处理和睡眠唤醒三个模块。信号采集模块通过粘贴在头皮前额附近的电极记录睡眠者的脑电信号，并将采集到脑电信号传输给信号处理模块。信号处理模块对脑电信号数据进行节律波的能量分析，并从脑电节律波的变化中监控睡眠的进程。当检测到睡眠者处于最佳的唤醒状态时，信号处理模块以无线传输的方式将唤醒指令传送给唤醒模块。唤醒模块接到唤醒指令后，唤醒模块启动闹铃或振动装置将睡眠者唤醒。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计ー种基于脑电(EEG, Electroencephalography)信号的智能唤醒系统。具体指，通过实时记录与分析用户的脑电中各种节律波的能量变化，系统能够监控用户大脑的睡眠质量与休息状态，在用户精神与体力经过睡眠休息好恢复到最佳的时刻，自动唤醒处在特定的睡眠状态下的睡眠者。本专利技术属于认知神经科学领域和信息
的结合应用。
技术介绍
睡眠对人的身体健康和精神状态的影响是不言而喻的。ー个睡眠质量高的人，不仅能够有效的缓解疲惫，而且能够快速的以更加饱满的精神状态投入新一天的工作。其中适当的睡眠时间是高质量睡眠的必要条件之一。好的睡眠应该是适当而合理的，并不是睡 的时间越长，获得的睡眠质量就越高。事实上，过长的睡眠不仅造成时间的浪费，往往还会适得其反。研究发现，睡眠时间过长与睡眠不足一祥，都可导致神疲、体倦、代谢率降低。而且，长时间的睡眠后，心脏的跳动便会减慢，血液中含氧量降低，新陈代谢率亦会降得很低，肌肉组织松弛下来，久而久之，人就会变得懒情、软弱无力起来，甚至智力也会随之下降。所以，针对每个人的状态，监控其睡眠状态，在其精神和体力的恢复达到最佳的时刻进行唤醒，有助于睡眠质量的提高。目前，市场上也出现的门类繁多的辅助睡眠产品，其功能大多集中于如何帮助用户快速入睡；在睡眠唤醒系统中，主要是采用电子闹钟的方式，定时唤醒睡眠者，很少有产品致カ于科学地分析用户的睡眠状态，适时地唤醒睡眠者。但用户精神与体力恢复需要的睡眠时间没有ー个统ー的标准。目前的科学调查结果表明不同年龄段的人群，适宜的睡眠时间有很大差异。例如，五岁到十八岁的未成年人每天的睡眠时间应该是九到十二个小时；而成年人应睡七到八个小吋，不少于六小时；六十到七十岁的人应不少于九个小时。类似的这些调查数据，给出了不同年龄段的人在一般情况下，每天大致合适的睡眠时间。然而这些数据反应的只是整体的情况，具体到每个人特有的生物钟和睡眠环境、身体状况等，用户的睡眠质量会有显著差异，要想达到较好的体力与精力恢复，需要的睡眠时间很难提前设定。因此，目前的电子闹钟等定时唤醒方式在应用中就不能很好地适应用户当前的睡眠状态。为了解决唤醒时间的确定这个问题，本专利技术借助于脑电波的记录与分析，设计了智能唤醒系统。本专利技术的基础在于睡眠的进程与脑电波节律波之间密不可分的关系。睡眠状态的脑电研究已经表明一次睡眠其实是数个睡眠周期的重复，而每个睡眠周期又包括前后两个阶段，即慢波睡眠阶段和异相睡眠阶段。慢波睡眠阶段又称非快速眼动睡眠，主要功能是恢复体力，这个阶段脑电中高低频率混合，而以低频率的Θ节律波分量(4 7赫兹)为主，研究表明此时Θ节律波的能量占脑电波总能量的50%以上。异相睡眠阶段又称快速眼动睡眠，主要用于恢复脑力，这个阶段脑电中20赫兹以上的高β节律波(20 30赫兹)占脑电波总能量比例显著上升，但高β节律波能量所占具体比例不确定。虽然由慢波睡眠阶段和异相睡眠阶段组成的一个完整的睡眠周期，时间长度不固定，但睡眠的周期性还是可以从整个睡眠过程中的脑电节律波能量比例的交替变化中体现出来。心理学上的研究表明，对于睡眠者，最为理想的唤醒应当发生在第四个周期末。但是，不同的人睡眠周期的时间长度都是不一样的；即使是同一个人，在不同的年龄段和不同的生理状态下，其每个睡眠周期的时间长度也是不尽相同的。传统的闹钟唤醒的方法，很难提前确定最佳的唤醒时间点(第四个周期末)并唤醒睡眠者。然而，从脑电分析的角度，借助脑电实时采集与分析装置，我们能实时监控用户的睡眠进程，并自动识别最佳的唤醒时间点即在睡眠的整个过程中对脑电进行监视，当第五次检测到睡眠者的异相睡眠阶段结束，开始再次进入慢波睡眠阶段时，可确定第四个周期已经结束，此时即为最佳的唤醒时刻。
技术实现思路
本专利技术提供的智能唤醒系统可实时监控睡眠者脑电变化，通过分析脑电特定节律波变化，在睡眠过程的第四个周期的结尾将睡眠者唤醒，从而使睡眠者在最短的时间内，体力与精力都得到理想的恢复。本智能唤醒系统包括脑电信号采集、脑电信号处理和睡眠唤醒三个模块。其中，脑电信号采集模块通过分布在头上前额附近的电极，电极作为传感器记录睡眠者的大脑活动诱发的头皮电压信号，电极上感应到的电压信号经过进一步调理后，传送到信号处理模块。信号处理模块对接收到的脑电数据进行实时分析，每隔I分钟检测脑电中的Θ节律波与高β节律波所占的比例，并与前面4分钟的脑电节律波变化进行对比，在较长的时间内分析用户的睡眠状态转变情况，排除单次检测中可能存在的噪声影响。在第五次检测到睡眠者的异相睡眠阶段结束，开始再次进入慢波睡眠阶段时，信号处理模块便利用集成的无线传输设备向唤醒模块发送唤醒指令；唤醒模块一直处于实时的待命状态，当接到来自信号处理模块的唤醒指令后，唤醒模块启动唤醒装置将睡眠者唤醒。系统的整体框图如图I所示。为使整个系统的工作方式更为灵活，模块间的连接更加便捷，本专利技术中信号处理模块将使用无线传输的方式对唤醒模块发送指令。无线收发模块则使用ー组(发送端和接收端各ー个)高性能的射频收发芯片CC1100E设计完成。这里需要说明的是，本专利技术g在从睡眠的科学唤醒这样ー个新的角度，设计ー种新型的基于脑电检测的唤醒系统，为睡眠者科学的规划睡眠时间。附图说明图I基于脑电信号的智能唤醒系统的整体框图。图2基于CC1100E芯片所设计的无线收发电路，芯片工作在470MHZ的频率下。图3唤醒装置的驱动电路。具体实施例方式该系统包括以下三个模块，其具体实施如下信号采集模块信号采集模块主要的功能在于记录睡眠者的脑电波。脑电采集包括微针式干电极，信号调理电路组成。脑电采集模块通过粘贴于睡眠者前额的电极来采集睡眠者头皮上的微弱的电压信号。本专利技术使用微针式干电极。干电极是相对于传统的湿电极而言。使用湿电极采集脑，需要在人的头皮上涂抹电极膏，涂抹电极膏的目的在于降低头皮角质层的超高阻杭。而我们使用的微针式干电极能够使用微针刺穿角质层，消除角质层高阻抗的影响，故不需要涂抹电极膏。使用微针式干电极不仅方便，而且解决了湿电极在长时间采集过程中由于电极膏变干燥而导致的采样失真问题。信号采集模块采用单极导联的方式记录头皮脑电，其中參考电极放置在耳垂后部，而采样电极放置在与睡眠状态相关的前额紧贴头皮。电极记录的电压信号随后通过带屏蔽的电极导联线进入采集模块中的调理电路完成信号放大，以及模数转换等初歩处理。最后经过模数转换的脑电信号直接进入信号处理模块。信号处理模块信号处理模块的主要功能是监控用户的睡眠状态，并在唤醒条件成立时通过无线发送装置向唤醒模块发送指令。信号处理模块由嵌入式系统完成对采集的脑电数据的两个操作ー个操作是实时的脑电数据分割，以一分钟为单位将脑电数据进行在线分割；另ー个操作是对刚刚分割出来的I分钟内的脑电数据进行节律波能量分析，当前数据处理完成后再进行下一分钟数据的处理。每一分钟的数据处理流程如下(I)这段脑电数据进行带通滤波，以滤除脑电中的直流及エ频等高频噪声，滤波频 率O. 5-42赫兹。(2)分割后的I分钟脑电数据进行功率谱估计，得到其脑电信号的节律波功率谱(能量的频率分布)。(3)计算Θ节律波与高β节律波在I分钟内的平均能量,将Θ节律波与高β节律波能量比值记为lk，前I分钟的能量比值为V1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于脑电信号的智能唤醒系统，这套系统的特征在于，包括信号采集、信号处理及睡眠唤醒三个模块 所述的信号采集模块，主要功能为采集睡眠者的脑电信号，其中微式干电极粘贴于头皮前额附近，并采用单极导联的方式记录头皮上的脑电信号； 所述的信号处理模块，为运行于嵌入式系统上的脑电处理程，主要功能为对原始的脑电信号进行节律波能量分析，监控用户的睡眠进程； 所述唤醒模块，主要功能为，通过无线接收的方式，接受信号处理模块发出的唤醒指令，并在收到唤醒指令后，启动闹铃及振动装置将睡眠者唤醒。2.如权利要求I所述的智能唤醒系统，其信号处理模块主要是通过脑电信号中节律波能量的变化规律的分析，来检测睡眠的进程，包括 (1)脑电信号的分割，基于滑动窗技术的连续脑电信号分割模块，滑动窗长度为I分钟，滑动窗内的I分钟脑电信号，形成一个基本的信号处理对象，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家才，李政宏，姚力，詹钰，张梁，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：