CN110801580A - 一种脑光刺激调控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脑光刺激调控装置，包括：依次连接的光参数调控模块、光源、光照射探头和探头位置调整器；光参数调控模块与光源连接，用于设定光源产生光信号的光强、波长和光照时间；光源产生特定光强和频率的光信号，并将光信号传输至光照射探头；光照射探头的光照面积能够根据不同光照模式进行调整，用于对脑的特定疾病对应的区域实施定点光照；探头位置调整器与光照射探头连接，用于调整和锁定光照射探头的光照位置。本发明通过向人脑的特定部位输入光信号，增加人脑内部ATP，增强人脑活性，提高人脑的认知能力，对抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症、帕金森症和癫痫症等疾病具有一定辅助治疗的作用。

Description

一种脑光刺激调控装置
技术领域
本发明是关于一种脑光刺激调控装置，属于医疗设备领域。
背景技术
脑神经调控是一种新兴的用于改善患者症状及提高其生命质量的方法。目前，比较普遍的脑神经调控方法主要包括：经颅电刺激(Transcranial electric stimulation,TES)和经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS)。其工作原理是通过向人脑输入电信号或磁信号引起人脑内部神经元活动电位发生变化从而达到治疗和改善患者认知能力的目的。研究显示，TES能够对患者的运动控制、短时记忆、问题解决和决策等认知能力的改善上发挥作用；TMS可以较好地改善抑郁症、自闭症、阿尔茨海默氏症、帕金森症、癫痫等患者的认知能力。但TES采用电信号刺激的方式，若电信号参数选择不当很容易引起使用者产生头晕、恶心、头痛等不适反应；而TMS因为需要产生可控的磁场，故其设备体积比较大，价格昂贵，且一旦操作不当会产生较大危险。故现在急需一种安全性、可靠性兼顾的脑神经调控。
由于光信号强度、频率和光照范围都具有较高的可调性，故通过光信号刺激是目前一种比较安全可靠的脑神经调控方案。但现有技术中的光信号刺激方案通常都是对脑整体进行刺激，从宏观上、概念性的进行健脑，提高人的认知能力，即目前对光刺激调控脑神经都集中在定性研究的阶段。但每个生物体都存在个体差异性，对于一般人使用的光信号未必能够适用于特殊个体，尤其是患有某种脑部疾病的特殊个体。因此，需要根据每个具体使用者脑部的具体情况设计相应的光学参数，即需要针对使用者具体情况定量的采用光信号对脑神经进行调整。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种脑光刺激调控装置，其通过近红外脑成像对人脑进行实时监控，并根据所得的脑网络指标调整光信号的强度、波长和光照面积等信息，使得对脑神经调控的光刺激信号完全根据使用者的脑部的具体情况而定，使光刺激调控更有针对性。
为实现上述目的，本发明提供了一种脑光刺激调控装置，包括：依次连接的近红外成像模块、控制模块和光刺激模块；近红外成像模块对脑进行光照，得到脑的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度以及脑网络指标，并将所得结果传输至控制模块；控制模块分析近红外成像模块得到的结果，并根据结果对光刺激模块的参数进行调整；光刺激模块以控制模块确定的参数对脑的特定区域进行刺激。
进一步，近红外成像模块包括成对设置的近红外光发射器、近红外光接收器以及光信号处理器，近红外光发射器用于发射近红外光；近红外光接收器用于接收经过脑组织的近红外透射光信号；光信号处理器用于将近红外透射光信号转换为氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度，并根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度计算脑网络指标。
进一步，脑网络指标包括脑功能连接性、大脑网络聚集系数、网络最短路径、归一化的聚类系数γ值、标准特征路径长度λ值、小世界属性值σ值、全局网络效率、局部网络效率和脑信号复杂度。
进一步，控制模块包括比较器和光参数调控器，比较器用于将氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标与标准值进行比较，若实测值超出标准值的范围，则通过光参数调控器对光刺激参数进行调整。
进一步，近红外成像模块在对脑神经进行光刺激的过程中，实时反馈脑神经的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标变化，并根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标变化对光刺激参数进行实时调节。
进一步，光刺激参数包括光波长、光强、光照时间、光照位置、光照范围和光到皮肤的距离之中的至少一者。
进一步，光刺激模块包括光源、光照射探头和探头位置调整器；光源产生设定光强和频率的光信号，并将光信号传输至光照射探头；光照射探头的光照面积能够根据红外成像模块采集到的数据信号进行调整，用于对脑的特定疾病对应的区域实施定点光照；探头位置调整器与光照射探头连接，用于调整和锁定光照射探头的光照位置。
进一步，光源和光照射探头之间还设有光传输模块，光传输模块用于将光源产生的光信号传输至光照射探头。
进一步，探头位置调整器为能够三维运动的传输器，传输器根据控制模块的指令带动光照射探头三维运动。
进一步，近红外成像模块、控制模块和光刺激模块集成在一柔性基底上，柔性基底为帽状结构。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、通过向人脑的特定部位输入光信号，增加人脑内部腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)，从而增强人脑活性，提高人脑的认知能力。2、通过近红外脑成像对人脑进行实时监控，并根据所得的脑网络指标调整光信号的强度、波长和光照面积等信息，使得对脑神经调控的光刺激信号完全根据使用者的脑部的具体情况而定，使光刺激调控更有针对性。3、根据综合各脑网络指标与标准值对比的结果判断使用者可能患有疾病，如抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症、帕金森症和癫痫症等，并根据诊断结 果对使用者头部进行有针对性的光刺激，从而对上述疾病起到缓解和辅助治疗的效果。4、对健康的使用者使用本装置，也可以起到随时了解其脑部健康状况，提高使用者认知能力的作用。5、本装置集成在帽状柔性材料上，结构简单，携带方便，增加了需要长时间监测、治疗的使用者的舒适度。
附图说明
图1是本发明一实施例中脑光刺激调控装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种脑光刺激调控装置，如图1所示，包括：依次连接的近红外成像模块、控制模块和光刺激模块；近红外成像模块对脑进行照射，得到脑的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度以及脑网络指标，并将所得结果传输至控制模块；控制模块分析近红外成像模块得到的结果，并根据结果对光刺激模块的参数进行调整；光刺激模块以控制模块确定的参数对脑的特定区域进行刺激。本实施例通过近红外脑成像对人脑进行实时监控，并根据所得的脑网络指标调整光信号的强度、波长和光照面积等信息，使得对脑神经调控的光刺激信号完全根据使用者的脑部的具体情况而定，使光刺激调控更有针对性。根据综合各脑网络指标与标准值对比的结果判断使用者可能患有疾病，如抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症、帕金森症和癫痫症等，并根据诊断结果对使用者头部进行有针对性的光刺激，从而对上述疾病起到缓解和辅助治疗的效果。同时也有助于提高健康使用者脑认知能力。
本实施例中近红外成像模块，包括：成对设置的近红外光发射器、近红外光接收器以及光信号处理器。近红外光发射器用于发射近红外光；近红外光接收器用于接收经过脑组织的近红外透射光信号；光信号处理器用于根据修正的Beer-Lambert定律将近红外透射光信号转换为含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度；对浓度信号进行去除运动伪迹和生理噪声处理，并进行带通滤波。然后，根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度计算脑网络指标。脑网络指标包括：脑网络指标包括脑功能连接性、大脑网络聚集系数、网络最短路径、归一化的聚类系数γ值、标准特征路径长度λ值、小世界属性值σ值、全局网络效率、局部网络效率和脑信号复杂度。其中，光信号处理器可以与近红外光发射器、近红外光接收器设置在一起，以方便近红外透射光信号的处理；但为了使近红外成像模块更加轻便，光信号处理器也可以不与近红外光发射器、近红外光接收器设置在一起。比如，可以将光信号处理器设置在控制模块中。近红外成像模块的数据通过通讯模块传输至控制模块。其中，通讯模块可以包括数据线，数据接口等，但优选通讯模块为无线通讯模块，如WIFI、GPRS、蓝牙等。
控制模块中包括比较器、光参数调控器，比较器用于将氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标与标准值进行比较，若实测值超出标准值的范围，则通过光参数调控器对光刺激参数进行调整。例如，若脑部全局网络效率较低，光刺激模块可自动调节光照位置，光参数调控器自行调控光照面积以及光强，直至全局网络效率达到设定的阈值。其中，标准值可以是存储在数据库中的各个脑网络指标的标准值范围，也可以是健康使用者的各个脑网络指标，或者是使用者往期进行近红外脑成像得到的脑网络指标，以及其他任何可以作为参考标准的指标。此处的标准值通常为一个数值范围，而不是一个数值。控制模块可以综合各脑网络指标与标准值判断使用者的脑健康状况或者所患的疾病。例如很多精神类疾病与大脑网络的拓扑属性的反常有关，尤其存在小世界属性降低的特点。阿尔兹海默症患者的脑网络中出现更长的特征路径长度，更高的集群系数；精神病患者的脑功能网络集群系数降低，最短路径变长，小世界属性降低；儿童多动症患者大脑功能网络集群系数增加，在枕叶、颞叶、额叶尤为明显。控制模块可以包括一个显示装置，显示装置用于显示使用者的脑健康程度，显示装置可以是显示器也可以是语音播报，或者通过显示装置的颜色进行显示，总之显示装置不限于视觉显示，可以采用任一种起到提醒功能的装置作为显示装置。
由于本实施例中，脑成像模块不仅可以在光刺激脑神经前对脑功能进行检测，确定光刺激的位置、强度等参数，同时，在整个光刺激的过程中，脑成像模块也可以随时对脑神经情况进行监控，用于检测光刺激的位置、范围和光强等参数设置是否合理，是否需要调整，并将实时检测到的信息反馈至控制模块。控制模块内还设置有反馈器，反馈器用于接收脑成像模块反馈回来的信息，并根据程序中预设算法对反馈回来的信息进行分析处理，判断最初确定的光刺激方案是否合理，如合理则进一步优化方案的参数，如对光照强度、波长、面积和位置等参数进行微调，以期达到更好的光刺激效果。如果最初的光刺激方案不合理，则对方案进行调整，避免了由于不当操作对使用者带来的危害，提高了光刺激的安全性和准确性。
本实施例中还包括一光刺激模块，光刺激模块根据控制模块传出的信号调节光照参数，用于对使用者脑神经进行调节，对脑部疾病有一定的辅助治疗效果；对于健康的使用者也有提高认知能力的作用。该光刺激模块之所以能够缓解脑科疾病、提高认知能力是由于人脑中的细胞色素c氧化酶(cytochrome coxidase，CCO)对光子的吸收。细胞色素c氧化酶在细胞呼吸中处于细胞色素***的末端，此酶是把呼吸底物的电子经过细胞色素***直接传递给分子态氧。从光发射模块发射出的光，通过头皮、骨膜、颅骨、脑膜和硬脑膜等一系列层，最终部分到达人脑皮层表面，被CCO所吸收。CCO在脑代谢中起关键作用，其活性越高，则线粒体的耗氧量和代谢量越高。而ATP是生物体中的一种高能量化合物，主要由线粒体产生，通常存在于细胞内部，并作为能量货币分子去支持细胞的各种代谢活动。线粒体是细胞内ATP最主要的来源，决定着ATP的水平。故线粒体的耗氧量和代谢量提高会导致细胞内ATP增加，从而促进人脑细胞的生长发育，ATP一定水平的上升可刺激细胞内游离的Ca2+、一氧化氮(NO)、活性氧(ROS)等分子含量的增加。其中，NO会与CCO结合从而抑制CCO活性，降低ATP的产生。而被CCO吸收的光信号能够通过分离NO，进而阻止NO与CCO的结合，使ATP产量增加。因此光刺激可以使大脑的血管舒张、增加血液循环，促进脑神经保护和增强脑认知功能。
本实施例中的光刺激模块包括依次连接的光源、光照射探头和探头位置调整器；光源与控制模块连接，根据控制模块的指令产生特定光信号的光强、波长和光照时间；光源产生设定光强和频率的光信号，并将光信号传输至光照射探头；探头位置调整器与光照射探头连接，探头位置调整器根据控制模块指令调整光照射探头的位置，控制模块还可以对光照射探头的光照面积进行调控。
为了方便光照射探头的固定，本实施例中光刺激模块还包括固定器，该固定器用于固定和承载光照射探头和探头位置调整器。固定器优选为可以带着头上的帽状固定器，该帽状固定器又优选为柔性固定器，以增加使用者的舒适度。固定器既可以只固定一个光照射探头和一个探头位置调整器，也可以承载多个光照射探头和各探头位置调整器。其中光照射探头可以是可移动的也可以是固定的，而且光照射探头的数量可以与探头位置调整器的数量对应，也可以只设置一个探头调整模块，探头调整模块可以移动光照射探头至相应位置。探头位置调整器优选为能够三维运动的传输器，该传输器根据控制模块的指令带动光照射探头三维运动。即传输器不但可以调整光照位置、光照面积还可以调整光照射探头到照射部皮肤的距离，根据如皮肤温度等特征自行调整光照射探头到皮肤的距离，避免使用者灼伤，使光照射装置更加安全可靠
本实施例中，光源和光照射探头可以直接连接，也可以通过在二者之间设置的光传输模块连接，光传输模块可以是光纤等，光传输模块用于将光源产生的光信号传输至光照射探头。若光源产生的光在近红外波长范围内，光源也可以作为脑成像模块的近红外光发射器，只需设置相应的光传输模块即可。此种设置方式使装置结构更加简单，轻便。
光源和近红外光发射器均可以是激光发射器，例如二极管激光发射器，优选波长范围较大的激光发射器。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，例如各部件的外观尺寸、固定方式、引线方式和组装后的几何结构，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种脑光刺激调控装置，其特征在于，包括：依次连接的近红外成像模块、控制模块和光刺激模块；
所述近红外成像模块对脑进行光照，得到脑的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度以及脑网络指标，并将所得结果传输至控制模块；
所述控制模块分析所述近红外成像模块得到的结果，并根据所述结果对所述光刺激模块的参数进行调整；
所述光刺激模块以所述控制模块确定的参数对脑的特定区域进行刺激。
2.如权利要求1所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述近红外成像模块包括成对设置的近红外光发射器、近红外光接收器以及光信号处理器，所述近红外光发射器用于发射近红外光；所述近红外光接收器用于接收经过脑组织的近红外透射光信号；所述光信号处理器用于将所述近红外透射光信号转换为氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度，并根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度计算脑网络指标。
3.如权利要求2所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述脑网络指标包括脑功能连接性、大脑网络聚集系数、网络最短路径、归一化的聚类系数γ值、标准特征路径长度λ值、小世界属性值σ值、全局网络效率、局部网络效率和脑信号复杂度。
4.如权利要求1-3任一项所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述控制模块包括比较器和光参数调控器，所述比较器用于将所述氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标与标准值进行比较，若实测值超出标准值的范围，则通过所述光参数调控器对光刺激参数进行调整。
5.如权利要求4所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述近红外成像模块在对脑神经进行光刺激的过程中，实时反馈脑神经的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标变化，并根据所述氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和脑网络指标变化对光刺激参数进行实时调节。
6.如权利要求5所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述光刺激参数包括光波长、光强、光照时间、光照位置、光照范围和光到皮肤的距离之中的至少一者。
7.如权利要求1-3任一项所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述光刺激模块包括光源、光照射探头和探头位置调整器；所述光源产生设定光强和频率的光信号，并将所述光信号传输至所述光照射探头；所述光照射探头的光照面积能够根据所述红外成像模块采集到的数据信号进行调整，用于对脑的特定疾病对应的区域实施定点光照；所述探头位置调整器与所述光照射探头连接，用于调整和锁定所述光照射探头的光照位置。
8.如权利要求7所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述光源和所述光照射探头之间还设有光传输模块，所述光传输模块用于将所述光源产生的光信号传输至所述光照射探头。
9.如权利要求7或8所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述探头位置调整器为能够三维运动的传输器，所述传输器根据所述控制模块的指令带动所述光照射探头三维运动。
10.如权利要求1-3任一项所述的脑光刺激调控装置，其特征在于，所述近红外成像模块、控制模块和光刺激模块集成在一柔性基底上，所述柔性基底为帽状结构。
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