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脑电波诱导器 The Brain Machine (Sound & Light Machine[SLM])

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楼主
发表于 2010-10-12 19:36 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

    前几天在MakeZine看到个有意思的制作:脑电波诱导器。它利用双声拍技术BBT(Binaural Beat Technology),分别在左右耳产生不同频率的声波,大脑对这种声波处理后感知到了第三个声音(类似和弦音),这个声音随左右耳声波频率之差进行渐强渐弱循环;同时它在眼部也用同样的手段分别对左右眼进行闪光刺激,闪光使用的是5mm的LED,光线很强,闭着眼也能感觉到灯光在闪烁,进一步刺激脑电波跟着我们给定的频率走,从而达到诱导脑电波效果。



    看了这么有意思的东东,也打算D一个试试效果,于是上网搜集了一些资料,现在我们先看看这些资料,了解一下其中的技术细节:


● 脑电波
    目前科学所知的脑电波频率主要都包含在30Hz以下:

    β(贝塔)波 13-30Hz 这个状态下大脑处于高度清醒状态
    α(阿尔法)波: 8-13Hz 这个状态下大脑处于放松状态,但仍保持意识
    θ(塞塔)波: 4-8Hz 这个状态下大脑处于似睡非睡状态
    δ(德尔塔)波: 0.5-4Hz 这个状态下大脑处于昏睡状态
    γ(伽玛)波: 30-100Hz 这个状态据说砖家们目前还没烟酒明白

    实际上上述几种脑电波一直都存在,只是当某种波形所占比例占主导地位时我们将处于其对应的状态上。


● 脑波诱导机理
    科学实验证实,当外界对大脑进行刺激时,有可能诱使大脑从一个状态转变到另一个状态。比如当前大脑处于β状态(清醒状态),如果我们用10Hz的声波刺激大脑一段时间,则脑电波就会向我们输入的频率转变,诱导大脑进入放松状态。利用这个机理,我们就可以对大脑的活动进行人为的干预,使其进入我们预设的状态。


● 双声拍技术
    对于大脑进行外界刺激,最简单有效的方法就是通过声音,然而,人耳能听到的频率是20Hz-20KHz,能有效刺激大脑的声波频率都很低,无法直接用低频声波进行刺激,这就需要使用一种特殊的技术:双声拍技术(Binaural Beat Technology)。比如我们对左耳施以一个400Hz频率的声波,同时给右耳一个414Hz频率声波,当我们听到这2种相近但不相同的声音时会在大脑进行整合,我们会感应到第三个声音:一个频率为14Hz大小随时间渐强渐弱的声音,这个声音就是所谓的双声拍,它会被大脑所接收,并有效的刺激大脑对这一频率进行响应,从而达到我们使用指定频率对大脑施加刺激的目的。
    双声拍现象早在1839年就被发现,然而直到1973年才引起科学界的重视。刚开始时,双声拍被作为研究认知及神经生理的工具,接着被用于医学诊断,后来被用于临床治疗。
    早期,由于难以对音频的发生进行准确控制,这一技术发展缓慢,甚至处于停滞不前的状态。直到电子音频技术的出现,这一技术才得以普及应用。而近代的数字音频技术更是让这一技术得到迅猛发展,通过数字音频技术,我们可以准确的合成复杂的双声拍频率,从而深入研究不同频率对人脑及全身的影响。

● 使用脑电波诱导器需要注意的事项(部分取自原文部分来自网上文章)
    1、诱导频率是通过立体声频差产生的,所以要使用立体声耳机才有效果
    2、使用诱导器一般以每次15-20分钟,每天20-60分钟为宜
    3、尽管诱导器具有多种保健功效,但它并不能取代医疗诊断及治疗活动
    4、闪烁的灯光可能对有癫痫病症的人群产生不良反应
    5、患有多动症的人群也不宜使用脑波诱导器
    6、未成年人处于发育阶段也不建议使用
    7、诱导的功效不会因为音量的增加而增加,所以使用时将音量调整到舒适大小即可


[ 本帖最后由 ogrobot 于 2010-10-12 20:39 编辑 ]

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abc127 + 2 双声节拍跟无线电的解调差不多- -

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沙发
 楼主| 发表于 2010-10-12 19:36 | 只看该作者
好了,必要的功课做得差不多了,动手吧!

    原文中这个设备称为Sound & Light Machine(简称SLM),它使用MiniPOV3套件进行部分硬件的改装,然后重写软件完成。查看了MiniPOV3的设计图,它实际是个基于ATTiny2313单片机实现的视觉暂留显示装置,同时简单的通过稳压二极管做TTL变换提供串口烧写功能。原文作者Mitch Altman就是使用这一装置进行改装,而省去硬件的设计和制作,软件方面,他利用的ATTiny2313的PWM端口输出一个400Hz的方波做为基频,同时再输出一个402.860Hz-415.024Hz方波共同产生2.2Hz-14.4Hz的双声拍频率,为使声音悦耳一些,在输出时加了个简单的低通滤波对方波进行整形(实际整出来的波形也是惨不忍睹的:em15: )。


原作设计图



设定的频率表


程序中默认的14分钟序列(可以自行根据需要来修改)


原作者做出来的成品

    主程序根据设定的波形序列表产生一序列指定波形、指定时间周期的双声拍节奏,并控制眼前的LED同频率模式闪烁,进而诱导大脑在856秒(约14分钟)内从清醒到恍惚,再到极度放松,然后进入昏睡状态,接着反向再把你唤醒,让你经历一次奇幻的旅行,经过一段时间的练习,或许你可以在梦中留意灯光的闪烁,并提醒自己正在做梦,这时你便可以像《盗梦空间》里的情节一样去设计自己的梦境,或是去冥思某个难题,在那里有你用不完的时间和奇敏的思维,而现实中你只花了14分钟... ...


[ 本帖最后由 ogrobot 于 2010-10-12 20:03 编辑 ]
3
 楼主| 发表于 2010-10-12 19:37 | 只看该作者
原理、设计基本摸清了,找材料开干吧,开始翻箱倒柜... ...

    若干分钟后,找到几个89S52、Mega8、Mega168、Mega328...就是没有Tiny系列的,其中51没有PWM(出局),168、328用于代替2313有大炮打蚊子的感觉,最终ATMega8胜出。


    手里有专门的编程器,所以省了去了烧写用的串口电路,直接6根线连到编程器ISP口搞定,整个电路的必要元件加起来才9个,直接使用面包板三下五除二就拼起来了。软件方面,点这里下 载源代码,代码是用WinAVR写的,于是在AVRStudio里建个WinAVR工程,把源程序中的slm.c加进来就成了,唯一要处理的地方是原设计中用的是Tiny2313,现改成Mega8后对应的端口操作部分需要改一下才能编译。



面包会有的...

    整个过程简单、顺利,编译出HEX文件,写入Mega8,复位后就开始工作了,耳机左右两边各有一个很接近的独立的声音,当两边都带上时,便能感觉到所谓的双声拍节奏,这个节奏随着频率的变化由小到大,再由大到小,像波浪一样起伏,不过原设计是针对Tiny2313的,换了Mega8后输出的声音非常大,大到耳机放在旁边都能听到的地步,准备换个带音量调节的耳机或是加个调音电路再试,不然早晚会聋掉。


    第一次试验过程中有个奇怪的现象,似乎原设计中的400Hz的基频和南方蚊子翅膀震动的声音很接近,在这深秋时节,外边十几度气温的环境下,我才开了几分钟就飞来两只蚊子,其中一只飞到我耳边被我用铁沙掌打死了,另一只见情况不妙脚底抹油跑了 ,这可是差不多快2个月没蚊子了,这机器居然把蚊子招来了,搞不好可以利用这个原理把蚊子招来再搞个类似电苍蝇拍的东东把它弄死(哪位看了这个主意做出产品来可别忘了谢我哦 )。第二天,偶跑到MakeZion论坛一看还真有老外反映这问题,说听起来像蚊子叫,看来我不是唯一中奖的人,原作者的回复中有修改过程序,他把基频从400Hz改到了200Hz,我也下了个新版的程序下来重新编译试试,同时接上示波器看看最终输出的结果。




接上示波器看看具体输出的波形



基频通道(未接低通滤波)



双通道及两个通道差(未接低通滤波)



双通道带滤波(2.5ms)



双通道带滤波(10ms)



双通道带滤波(25ms)


    看了示波器的结果,两个通道的差值的确产生了一个波浪起伏状的节奏,这正是本文中提到的双声拍,同时测量结果也显示了2个存在的问题:
    1、基频200Hz输出不准,实测值是205Hz左右,副通道的输出频率和程序对应的值也不一致,这个问题可能是我把程序移植到Mega8时有些处理没改对,也可能是这片M8内部的RC不准引起的,这个问题可以加外部晶振试试,也可以在软件上修正,下一步先处理这个问题

    2、原设计中1K电阻+1μF电容组成的低通滤波产生的整形结果的确是有点惨不忍睹,这个问题可以在硬件上修改滤波电路,也可以通过软件直接查表输出正弦波,更变态点可以M8 + AD9833做DDS来产生输出波形,这个问题打算时间充裕时再弄了


[ 本帖最后由 ogrobot 于 2010-10-12 20:06 编辑 ]
4
 楼主| 发表于 2010-10-12 19:37 | 只看该作者
  看到这里,可能有朋友会说:怎么不写个程序直接用电脑来数字化音频?的确,目前已经有这样的脑波产品了,也有一些夹着背景音乐的音频文件,用户可以下 载这些波形文件,并在电脑上接个耳机用播放软件直接播放就成了,只是不能自己定制波形序列及周期时长。但我还是喜欢自己折腾,原因有二:
  
  • 用单片机可以把这个东东做得很小,原作就是在一副护目镜上加装出来的,如果在电脑上弄这么个东东,声音的部分是现成的,但眼部的闪光刺激还得弄个输出装置;
  • DIY本身就是一种乐趣,一般有两个因素会引起我的兴趣:一是这东西市场上没有现成的,或是有现成的而价格却很不靠谱,即便很多时候偶是用肉价钱做出豆腐来:em15: ,但过程却着实让人享受;再有一个因素就出于好奇,想通过折腾来搞清这东东原理,从中能学到不少平时不知道的知识,至少这次就学到了声波怎么影响大脑,这个经验是我平时生活中很难接触到的。


[ 本帖最后由 ogrobot 于 2010-10-12 19:55 编辑 ]
5
发表于 2010-10-12 19:43 | 只看该作者
图片看不到.  看来是高科技的东西了.
6
发表于 2010-10-12 19:43 | 只看该作者
看不到图
7
发表于 2010-10-12 19:45 | 只看该作者
双声节拍跟无线电的解调差不多- -
8
发表于 2010-10-12 20:02 | 只看该作者
:em26:  LZ是电子高手是确定无疑的,:em15: 就怕这个东西用久了会把人搞疯了
9
发表于 2010-10-12 20:07 | 只看该作者
这个建议在医生指导下试用,小心诱导成癫痫
10
 楼主| 发表于 2010-10-12 20:45 | 只看该作者
原帖由 艾老师 于 2010-10-12 20:38 发表
快说说效果怎么样?:em26:


今天改了程序校准了输出频率、改了滤波,声音听着还行。
只是护目镜还要去找副便宜的再来打洞装LED,手里现有的两护玩机械用的3M护目镜不舍得打洞 :em15:
11
发表于 2010-10-12 20:50 | 只看该作者
我有失眠症,好多年了,能有助于治疗吗
12
发表于 2010-10-12 20:59 | 只看该作者
弄个能让人 坚挺的 节拍 弄个能让人 …… 的节拍 哈哈
13
 楼主| 发表于 2010-10-12 21:04 | 只看该作者
原帖由 maduo220 于 2010-10-12 20:50 发表
我有失眠症,好多年了,能有助于治疗吗


呵呵,我最初也是这个目的,工作压力太大,经常睡不好。
等弄完试出结果来我再来汇报
14
 楼主| 发表于 2010-10-12 21:05 | 只看该作者
原帖由 yqyqingyv 于 2010-10-12 20:59 发表
弄个能让人 坚挺的 节拍 弄个能让人 …… 的节拍 哈哈


:em17:  居然有这样的要求
15
发表于 2010-10-12 21:17 | 只看该作者
担心会出问题……
16
发表于 2010-10-12 21:19 | 只看该作者

有意思!

:em26: :em07: 关注中!:em24:
17
发表于 2010-10-12 21:32 | 只看该作者
留下脚印,等待后续
18
发表于 2010-10-12 21:39 | 只看该作者
原帖由 ogrobot 于 2010-10-12 19:37 发表
  DIY本身就是一种乐趣,……即便很多时候偶是用肉价钱做出豆腐来,但 过程却着实让人享受

这才是精髓啊
19
发表于 2010-10-12 21:58 | 只看该作者
期待中。
楼主加油
20
 楼主| 发表于 2010-10-12 22:42 | 只看该作者
有用哦,眼镜还没做,刚刚只用声音试,新版的周期约30分钟,睡了觉,然后又被唤醒了,只是没作梦,还是挺舒服的
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