具体实施方式

在一个方面，本发明提供了头戴式耳机中的EEG和脉搏血氧仪。在实施例中，本发明的头戴式耳机在头戴式耳机形状因子和在算法中将EEG（脑电图记录）与心率变异性（HRV）或脉搏血氧仪进行组合。在实施例中，脉搏血氧仪被合并到包耳式头戴式耳机设计内部，其减少了环境噪声，从而允许提高的准确性。

本发明提供了一种具有嵌入式生物计量传感器的可穿戴头戴式耳机组，该嵌入式生物计量传感器收集来自用户的生理信号。该设备包括蓝牙（无线）音频和数据传输、可充电电池、扬声器、麦克风和有源噪声消除（ANC）。

电极用于收集EEG信号。根据国际10-20系统，将电极放置在C3、CZ、C4、PZ和FZ位置处，并且可以在A1或A2处包括参考电极或接地电极。

脉搏血氧仪用于收集额外生物计量。光体积描记法（PPG）是由身体对特定波长的光的吸收的光学测量。包含LED和光电传感器的脉搏血氧仪被放置在听筒之一的内部，并抵靠外耳放置。脉搏血氧仪将使用反射方法来进行测量。将脉搏血氧仪放置在覆盖耳朵的听筒内部，减少了来自环境光的信号噪声。

脉搏血氧仪数据被转换为以下生物计量信号（但不限于这些）：心率（脉搏）、心率变异性、呼吸率、血压、血氧水平（SPO2）和水合水平。在实施例中，一个或多个温度传感器用于收集体温信号。也可能需要多个传感器来捕获外部温度，以提高体温测量的准确性。其他传感器包括加速度、磁力计、陀螺仪、气压计/压力和音频/语音传感器。

在另一个实施例中，设备利用EKG或ECG信号来建立心率和心率变异性（HRV）。

生物计量反馈校准

心率变异性（HRV）对于每个人是独一无二的。为了将HRV用作压力、疲劳、集中等的指示符，HRV需要基于相对于每个人的值。本发明的实施例利用两部分校准方法。在第一部分中，用户在他们的眼睛闭合的情况下放松达大约30-90秒，同时以由音频提示设置的速度呼入和呼出。对于第二部分，用户睁开他们的眼睛并屏住他们的呼吸达15到30秒。该数据用于在放松状态和有压力状态两者下为HRV建立基线。

为单独的用户的生物计量反馈建立基线和正常范围值将通过校准过程完成。在校准过程期间，生物计量信号将被设备捕获和处理并发射移动设备，然后发射到云服务器以进行额外处理。校准过程要求用户执行身体活动、回答问题和/或玩简短的游戏。这些练习被设计成向上和或向下推动用户的生物计量信号，以建立特定于用户的基线或正常范围。

示例呼吸活动：在第一部分中，用户在他们的眼睛闭合的情况下放松达30秒，同时以由音频提示设置的速度呼入和呼出。对于第二部分，用户睁开他们的眼睛并屏住他们的呼吸达15到30秒。该数据用于在放松状态和有压力状态两者下为HRV和其他生物计量信号建立基线。

生物计量反馈的使用

本发明的实施例利用生物计量数据、EEG、心率（脉搏）、心率变异性、体温和血氧（SPO2）水平的组合来调整音频和视觉（神经反馈和生物反馈），以减轻压力、增加集中或提醒用户注意他们的疲劳或压力的水平。目标应用包括（1）流动状态（增加的集中/专心）、（2）压力减轻、（3）改善的情绪、（4）疼痛管理、（5）睡眠改善，（6）冥想的更改状态的加深和（7）延缓认知下降。形式因子对于所有都是相同的。但是软件算法不同，并且在实施例中是基于预定（subscription）的。

生物计量信号在头戴式耳机设备上进行处理，以及发射到移动设备和基于云的服务器以进行额外处理。处理后，通过在用户的移动设备上调整头戴式耳机上的声音、通知、图表、图形等，并通过包括声音和口头指令的音频提示，向用户给出反馈。也可能存在其他物理反馈方法，诸如振动或光模式。反馈将针对单独的用户基于他们的校准基线而修整（参见上文）。

反馈过程

设备检测特定条件并自动调整反馈。本发明的头戴式耳机设备执行以下反馈功能：读取用户的当前生物计量水平；基于当前水平和校准基线设置目标水平；当用户朝着不断前进的目标水平移动时，将音频和/或视觉调整为“奖励”用户的生物反馈；监视用户的当前水平并将其与校准的基线、目标进行比较，并调整反馈“奖励”。

利用刺激的自适应反馈

本发明的另一种技术将自适应反馈与光生物调节组合。该设备基于EEG（脑电图记录）和心率变异性（HRV）建立穿戴者的总体基线生物计量，并且可以合并额外生物计量信号，该额外生物计量信号包括血氧水平（SPO2）、呼吸率、血压和体温。通过（1）校准活动、（2）历史数据、（3）当前反馈会话生物计量数据和或（4）由系统收集的补充调查数据来建立并动态调整基线。

由穿戴者或由系统基于基线数据来选择反馈协议。协议基于基线和穿戴者当前的生物计量水平在整个反馈会话中设置和适配目标生物计量水平。当穿戴者的生物计量水平朝着目标或远离目标移动时，利用视觉、音频或其他形式的反馈奖励或抑制他们。

在该技术中，利用生物计量刺激来补充生物计量反馈。在一个实施例中，这是通过在与EEG电极相同的位置处的脉冲地产生的光生物调节来实现的。以特定频率脉冲地产生红色或近红外光将经由诱导来刺激目标脑波频率的增加，并向目标位置处的线粒体提供额外能量。此外，可以测量生物计量刺激的效果，并将其合并回到生物计量反馈协议中。

光生物调节

在线粒体内部，细胞色素氧化酶具有吸收红色和近红外光并将其转换成能量三磷酸腺苷（ADT）的能力。

该设备发射波长在600和1150纳米之间的光，其中810 nm是理想波长，这是由于其进一步穿透到生物组织中的能力。

本发明设备和方法以特定频率脉冲地产生光生物调节光，从而经由诱导刺激目标脑波频率的增加并向目标位置处的线粒体提供额外能量。

在其他实施例中，本发明可以利用额外或可替代形式的刺激，包括但不限于：

• tACS-经颅交流电刺激

• tRNS-经颅随机噪声刺激

• tDCS-经颅直流电刺激

立体声节拍

在又一个实施例中，听觉节拍刺激（ABS）与自适应反馈和光生物调节刺激组合使用。当两个音频正弦波在彼此靠近的频率内分别呈现给每只耳朵时，生成立体声节拍。频率差异（例如12 Hz）被感知为节拍，并主观地被感知为是“位于”头部内部。而且，这种听觉刺激可以影响脑波，并且可以测量这种刺激并将其反馈回到生物计量反馈协议中。

心率变异性（HRV）

已显示心率变异性（HRV）与压力反应具有直接相关。在本发明中，HRV还可以用于适配反馈量和目标、会话长度、协议选择，并且还从反馈切换成刺激模式或组合模式。

在另一种技术中，HRV反馈和呼吸率反馈与自适应反馈和刺激组合使用。这可以增强反馈协议的有效性，以及对穿戴者的压力和情绪恢复力具有影响。HRV和呼吸率反馈可以在协议会话的开始或结束时完成，或者在会话期间HRV和呼吸率反馈两者可以独立地或与总体协议反馈信号组合地完成。

生物计量同步

在另一个实施例中，两个或更多个设备能够进入生物计量同步模式，其中生物反馈信号跨多个设备和穿戴者同步，以便使穿戴者达到类似的生理同步水平。这可能包括但不限于心率变异性（HRV）、体温、呼吸率、eeg或其他生物计量信号。

生物计量目标：在简单的水平上，生物计量目标基于用户的当前水平及其个人校准数据来计算信号水平。通过达到目标水平，将预期用户将具有特定的益处，诸如改善的集中/专心、压力减轻、改善的情绪、更好的疼痛管理和或更深的睡眠。作为示例，两个小振动马达可以包括在头戴式耳机设备的左听筒和右听筒中，并被馈送HRV和EEG信号。用户可以学习解释该新数据。

生物计量反馈

在生物计量反馈协议的一个示例中，本发明可以训练、奖励和刺激α脑波（8-12Hz）、θ脑波（4-7 Hz）和/或γ（40-100 Hz）脑波中的增加的序列。在该实施例中，设备将向穿戴者提供反馈，以奖励在P3和P4位置处的α波的增加，从而也奖励这些地点之间的同步或相干性。设备还将奖励Cz和Fz位置处的θ频率的增加，包括同步或相干性。最后，协议将奖励地点Pz、Fz、Cz、P3和P4处的γ频率的增加。该反馈协议可以利用自适应反馈和刺激来实现。它将专门训练α，或联合训练α-θ或θ-γ或α-γ或θ-α-γ（TAG）。

本发明应用θ、α、γ同步算法来诱导深度冥想状态、在放松的专心中的训练、并且磨练（hone）消费者可穿戴上的创造性（out-of-box）思维。

反馈

由本发明实现的反馈协议的另一示例在以下地点中的一个或多个处奖励和刺激SMR脑波（12-15 Hz）的增加：Cz、C3和或C4。

慢皮质电位反馈

由本发明实现的反馈协议的另一示例在以下地点中的一个或多个处在下低脑波或慢皮质电位中进行奖励和刺激：T3/T4、Fp1、P4。

本发明还可以通过诸如智能手机或平板电脑之类的连接设备向穿戴者提示问题，该连接设备可以用于在12至15 Hz范围内改善目标频率。问题可能包括诸如参与水平、头痛、警觉或疲倦的感觉等主题。

数字处方

该设备能够提供数字处方。在这种情况下，由经训练的临床医师、医生或根据设备本身上的生物计量数据提供医学诊断。诊断可能包括ADHD、抑郁、焦虑等。

然后，医生或设备开具治疗协议。处方存储在服务器上，并且用户或患者可以访问设备上开具的治疗协议，其中设备输入如由治疗协议描述的生物计量反馈序列。该设备能够监视患者对协议的遵守以及治疗结果，并将该数据报告回到处方的源。此外，这些数字处方限于已被开具访问的用户。

图1图示了示例性系统架构，以用于通过将头戴式耳机设备连接到公共通信网络到远程操作的服务器来将头戴式耳机设备连接到远程资源，该远程操作的服务器为头戴式耳机设备及其用户提供额外处理、存储和交易功能。

图1图示了根据本发明的实施例进行操作的客户端-服务器应用系统100的一般架构。在优选实施例中，系统100以多层或n层架构实现，其中一个或多个客户端设备101驻留在客户端层处，中间或服务器应用层中的一个或多个服务器102以及一个或多个数据库服务器103驻留在数据库层中。在上述三层架构的变体中，客户端（第一层）可能仅必须执行用户界面，即验证输入；在这种情况下，中间层保留所有后端逻辑并进行数据处理，而数据服务器（第三层）执行数据验证并控制数据库访问。

一个或多个客户端设备101经由网络114连接到系统服务器102。系统服务器102通过网络114与客户端设备101通信，以呈现用于本发明的服务系统100的用户界面或图形用户界面（GUI）。可以通过网络浏览器或通过与系统服务器102通信的移动应用来呈现本发明的服务系统100的用户界面，并且该用户界面用于显示、输入、发布和/或管理服务所需的数据。如本文中所使用的，术语“网络”通常是指不同网络的任何集合，所述不同网络一起工作以对用户表现为单个网络。该术语还指使用英特网协议（IP）和其他类似协议相互连接的所谓的遍及世界的“网络的网络”或英特网。如本文中所描述的，图1的示例性公共网络114仅出于描述目的，并且它可以是有线或无线的。

尽管该描述可以指在描述诸如因特网之类的公共网络中通常使用的术语，但是该描述和概念同样适用于其他公共和私有计算机网络，包括具有与图1中所示的架构不同的架构的系统。本发明的发明思想可适用于所有现有的蜂窝网络拓扑或相应的通信标准，诸如GSM、UMTS/HSPA、LTE等。

关于本描述，系统服务器102可以包括依赖于可通过网络访问的数据库系统的任何服务，其中数据库系统的硬件和软件的各种元件可以由系统100的一个或多个用户共享。为此，客户端设备101（通过网络114从其接收请求或指令）的用户可以包括任何单独的客户、政府或非政府组织、团体等。可以由用户利用由客户端设备101上的系统服务器102通过网络浏览器或移动app提供的GUI或用户界面，以用于利用服务系统100。

出现在系统服务器102中的部件指的是将需要被组装以创建基础设施以提供由本发明所预期的工具和服务的那些部件的示例性组合。对于（一个或多个）相关领域的技术人员将显而易见的是，系统服务器102的“内部”的所有部件可以被连接并且可以经由广域网或局域网（WAN或LAN）进行通信。

系统服务器102包括应用服务器或执行单元104。应用服务器或执行单元104包括网络服务器106和用作本发明的应用层的计算机服务器108。网络服务器106是响应于来自远程浏览器（即，客户端设备101中安装的浏览器）的超文本传输协议（HTTP）请求或响应于通过安装在客户端设备101上的本发明的移动app或移动应用做出的类似请求而发出包含电子数据文件的网页的系统。网络服务器106可以与本发明的移动app和/或与安装在客户端设备101上的网络浏览器通信，以提供服务所需的用户界面。

计算机服务器108可以包括处理器110、用于信息的临时存储的随机存取存储器（RAM）（图中未示出）以及用于信息的永久存储的只读存储器（ROM）（图中未示出）。计算机服务器108通常可以通过操作系统软件控制和协调。除了（其他）事物之外，操作系统控制系统资源分配并执行诸如处理、调度、存储器管理、联网和I/O服务之类的任务。因此，操作系统驻留在系统存储器中，并在由CPU执行时协调AR服务器102的其他元件的操作。

尽管计算机服务器108的描述可以指在描述计算机服务器中通常使用的术语，但是该描述和概念同样适用于其他处理系统，包括具有与图1中所示的架构不同的架构的系统。

数据库层是数据的源，其中至少一个数据库服务器103通常对接多个数据库112。那些数据库频繁地由其用户和管理员最经常地通过私有和公共网络114（包括英特网）的组合进行更新。对于本领域的任何技术人员将显而易见的是，尽管本文中描述为将数据存储在单个数据库中，但是不同的独立数据库也可以存储多个用户的各种数据和文件。

移动应用或“app”是可以使用本领域中已知的方法下载并安装在客户端设备101中的计算机程序。在下文中，移动app 130被称为app 130。为本发明定制构建的app 130使一个或多个人能够使用本发明的系统来进行与现场、亲自翻译服务有关的各种任务。也可以使用通过基于客户端设备的网络浏览器呈现的用户界面（或GUI）来执行与本发明的服务有关的活动。在下文中，术语“用户界面”用于指本发明的app用户界面和网络浏览器用户界面两者。客户端设备101的示例可以包括但不限于移动设备、平板电脑、手持或膝上型设备、智能电话、个人数字助理、台式计算机、可穿戴设备、增强现实眼镜、虚拟现实头戴式耳机或任何类似设备。

如图1中所图示，客户端设备101可以包括本领域已知的用于这种类型的设备的各种电子部件。在该实施例中，客户端设备101可以包括设备显示器118、计算机处理器120、用户输入设备122（例如，触摸屏、键盘、麦克风和/或本领域已知的其他形式的输入设备）、用于通信的设备收发器124、设备存储器128、可操作地安装在计算机存储器128中的AR app130、也安装在设备存储器128中的本地数据存储器134以及将上述部件互连的数据总线126。为了本申请的目的，术语“收发器”被定义为包括本领域已知的任何形式的发射机和/或接收机，以用于蜂窝、WIFI、无线电和/或本领域已知的其他形式的无线或有线通信。显然，这些元件可以变化，或者可以包括本领域中已知的替代方案，并且这样的替代实施例应被认为在要求保护的发明的范围内。

替代实施例包括但不以任何方式限于将本发明的神经反馈和神经刺激模态集成到除了头戴式耳机之外的其他合适的可穿戴设备中。本领域技术人员将理解，只要可能对穿戴者的大脑的适当区域进行刺激和测量，这样的替代实施例就是可能的。本领域技术人员还将理解，在本发明的范围内，将可能应用其他已知的PBM和EEG协议。本文中提供的工作示例本质上是说明性的，并不旨在限制本公开的范围。