CN113476060B - 一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，包括脑电信号探测模块、脑电信号预处理模块、调节控制器和光声电磁一体化调节模块，与探测脑区和响应脑区共同形成闭环反馈式结构。由脑电信号探测模块从探测脑区采集的信号，经脑电信号预处理模块预处理后，传入调节控制器计算其与参考值的差值，生成光声电磁一体化神经调节信号，并控制光声电磁一体化调节模块，对目标大脑的响应脑区进行调节，以使其工作节律达到参考值。本发明能提供远超单一刺激的工作节律调节增益，实现对大脑多个工作节律以不同的增益进行调节，以处理复杂的神经功能紊乱，采用闭环反馈式结构，便于患者在各种场景下长期使用。

Description

一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置
技术领域
本发明涉及大脑工作节律调节技术，特别是涉及一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置。
背景技术
脑电工作节律反映了大群神经元协同活动的水平，是大脑活动状态的重要宏观指标，同时也是一系列神经和精神疾病的重要标志，已经证明，脑电工作节律的变化也能反过来促进大脑活动状态的变化，有助于抑制异常脑电发放，恢复正常工作节律，并进一步有助于修复认知、记忆等功能性障碍。研究显示，外界刺激可改变脑电工作节律，包括改变脑电工作节律中特定频率成分。通过接触/植入式电刺激或经颅电/磁刺激直接对目标脑区进行特定频段信号的强直刺激，引起其工作节律中对应频段成分改变的机制，称为节律共振(rhythm oscillation)。
采用含有特定频段信号的感官刺激，通过感觉神经通路(视觉、听觉等)向目标深部脑区(如海马区、内侧前额叶mPFC等)投射，引起其工作节律中对应频段成分改变的机制，称为节律挟带(rhythm entrainment)。
目前为止，这类技术主要面临以下问题：
单一光、声刺激通过视觉/听觉神经通路间接投射于目标深部脑区，刺激信号的强度受限于人类感官的承受极限，过强或错误的信号会引起包括视觉、听觉不适、受损、精神损害等在内的一系列副作用，因此对大脑工作节律的调节效果有限；
时域/频域电磁刺激如TMS、tDCS、tACS等，需要穿透头皮和头骨才能作用于深部脑区，作用随目标区域深度递增而递减，同时，也不宜采用大功率、强信号，因此对大脑工作节律的调节效果有限；
神经***具有应激适应特性，单一类型和单一刺激波形的强直性刺激信号往往只能引起短时的脑电节律变化，固定的刺激类型和刺激信号会导致应激响应逐渐降低至难以引起有效变化的水准，无法长期使用；
被刺激者个体差异决定其对不同刺激类型和刺激信号的耐受不同，因此针对个别被刺激者需要实时了解其应激效果，按需专门定制刺激类型与信号。
综上所述，考虑采用一体化方法对多种刺激类型进行编码，以获得能长期稳定的刺激效果，并采用闭环反馈式结构，在刺激过程中根据实时探测信号的变化，对刺激信号进行实时调整。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，该装置对所采集的脑电信号的工作节律(频率段)进行识别，根据识别结果进行光声电磁一体化编码，产生光声电磁一体化神经介入和修复信号，加载到刺激源上，对神经***中的靶向区域进行介入和修复，并继续读取脑电信号，对光声电磁一体化神经介入和修复信号进行修正，继续进行新一轮介入和修复。
为了实现技术目的，采用的技术方案如下：
一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，包括：
脑电信号探测模块，用于从探测脑区实时获取脑电信号，并传输至脑电信号预处理模块；
所述脑电信号预处理模块，用于从所述脑电信号探测模块获取所述脑电信号；并且根据调节控制器发出的指令，对所述脑电信号进行预处理，得到预处理信号，再将所述预处理信号传输至调节控制器；
所述调节控制器，包括:运算处理器、存储器以及闭环反馈控制逻辑，所述闭环反馈控制逻辑被储存在所述存储器中并且被配置为：当由所述运算处理器执行时，通过执行以下动作而与光声电磁一体化调节模块进行指令对接：
设定目标值，获取最新的预处理信号，并且从该信号中提取一个或多个目标频带；
确定该目标频带所适用的刺激类型并且将该目标频带与所述目标值进行比对，得到初始误差，根据该初始误差确定该目标频带所需的增益因子；
再根据所述增益因子，确定刺激类型的刺激函数，该刺激函数为独立的时域波形；
当该刺激函数的数量大于一个时，对该刺激函数进行调制和合成，得到初始光声电磁一体化神经调节信号，该信号被传输至所述光声电磁一体化调节模块以及重复以下动作：
再一次，获取最新的预处理信号，并且从该信号中提取一个或多个目标频带，确定该目标频带的刺激类型并且将该目标频带与所述目标值进行比对，得到修正误差，再根据该修正误差以及确定的刺激类型，确定该目标频带的刺激函数，当该刺激函数的数量大于一个时，对该刺激函数进行调制和合成，得到修正后的光声电磁一体化神经调节信号，该信号被传输至所述光声电磁一体化调节模块，直到获取最新的预处理信号中提取到的所有目标频带与所述目标值相同时为止；
所述光声电磁一体化调节模块，根据光声电磁一体化神经调节信号，对响应脑区施加相应的刺激。
进一步的，所述刺激类型包括：光刺激、声刺激或者电磁刺激。
进一步的，所述脑电信号探测模块包括设置在所述探测脑区并且用于实时获取所述脑电信号的脑电信号探测电极，以及与所述脑电信号探测电极电连接的脑电信号接收电路；
所述脑电信号接收电路根据所述脑电信号预处理模块发出的指令，从所述脑电信号探测电极实时接受所述脑电信号，并将该信号传输至所述脑电信号预处理模块；
所述脑电信号探测电极为植入式电极或者非植入式电极，当为植入式电极时，所述脑电信号探测电极包括：按照10-10标准连接的干式或湿式电极以及按照10-20标准连接的干式或湿式电极；当为非植入式电极时，所述脑电信号探测电极包括：Utah电极阵列、Michigan电极阵列或者Medtronic脑深部电极。
进一步的，所述脑电信号预处理模块包括用于获取并且预处理所述脑电信号的脑电信号预处理电路，所述预处理包括：滤波、去噪、放大、整形和时域展宽；所述脑电信号预处理电路分别与所述脑电信号探测模块以及所述调节控制器进行通信连接。
进一步的，所述所述调节控制器还包括人机接口，所述人机接口包括操作***、输入设备和显示设备。
进一步的，所述光声电磁一体化调节模块包括：可调光刺激***、可调声刺激***和可调电磁刺激***。
进一步的，所述可调光刺激***包括驱动控制器、可调光源和刺激光路；
所述驱动控制器解码所述光声电磁一体化神经调节信号，得到光源驱动控制信号，所述光源驱动控制信号被传输至所述可调光源，经过所述可调光源调制生成光刺激信号，所述光刺激信号经过所述刺激光路被传输至所述响应脑区；
所述可调光源为LED或者激光器；
所述刺激光路为自由空间光路、导波光路或者表面等离子激元光路。
进一步的，所述可调声刺激***包括驱动控制器、扬声器和刺激声路；
所述驱动控制器解码所述光声电磁一体化神经调节信号，得到扬声器驱动控制信号，所述扬声器驱动控制信号被传输至所述扬声器，所述扬声器根据所述扬声器驱动控制信号产生声刺激信号，所述声刺激信号经过所述刺激声路被传输至所述响应脑区；
所述扬声器为基于直接或间接的电致弹性原理的扬声器；
所述刺激声路为自由空间声路或者声阻抗匹配层。
进一步的，所述可调电磁刺激***包括驱动控制器和可调电磁刺激器；
所述驱动控制器解码所述光声电磁一体化神经调节信号，得到电磁刺激器驱动控制信号，所述电磁刺激器驱动控制信号被传输至所述可调电磁刺激器，所述可调电磁刺激器根据所述电磁刺激器驱动控制信号产生电磁刺激信号，所述电磁刺激信号经过电极或者电磁线圈被传输至响应脑区。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对实时探测和采集的脑电信号进行放大、滤波等处理后，可针对其中所含的多个特定频率成分的异常发放，选择光、声、电磁等不同物理场刺激信号的时域和频域组合，进行一体化编码，构造无创神经刺激信号，再通过光、声、电磁刺激端头一体化刺激，反馈作用于大脑，相对于现有技术中单一光、声或电磁刺激对于大脑工作节律的调节，受限于人类感官的承受极限，光声电磁一体化刺激能提供远超单一刺激的工作节律调节增益。
2、本发明通过调制不同频段刺激信号在刺激信号上，实现对大脑多个工作节律以不同的增益进行调节，以处理复杂的神经功能紊乱。
3、本发明采用闭环反馈式结构，直接根据实时探测和采集的脑电信号，构造刺激信号反馈作用于大脑，实现实时的工作节律调节，便于患者在各种场景下长期使用。
附图说明
图1为实施例1中一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施提供一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，包括：脑电信号探测模块，脑电信号预处理模块，调节控制器和光声电磁一体化调节模块。
脑电信号探测模块，用于从探测脑区实时获取脑电信号，并传输至脑电信号预处理模块；
具体的说，在本实施中，脑电信号探测模块包括脑电信号探测电极和脑电信号接收电路，更具体的说，在本实施例中，脑电信号探测电极具有从探测脑区实时探测脑电信号，并传输至脑电信号接收电路的功能，比如可以采用非植入式电极，如按10-10或10-20标准连接的干式或湿式电极，或类似产品，也可以采用植入式电极，比如Utah电极阵列、Michigan电极阵列、Medtronic脑深部电极或类似产品；脑电信号接收电路的响应特性能够兼容探测脑电信号的实时传输。更具体的说，在本实施例中，脑电信号接收电路的响应特性能够兼容探测脑电信号的实时传输，并且接受脑电信号预处理***发出的指令，从脑电信号探测电极实时接收探测脑电信号，并传输至脑电信号预处理***。
脑电信号预处理模块，用于从脑电信号探测模块获取脑电信号；并且根据调节控制器发出的指令，对脑电信号进行预处理，得到预处理信号，再将预处理信号传输至调节控制器；具体的说，在本实施中，脑电信号预处理模块包括脑电信号预处理电路，该电路具有滤波、去噪、放大、整形、时域展宽等功能，并且该电路与脑电信号探测模块以及调节控制器进行通信连接，更具体的说，脑电信号预处理电路与与脑电信号探测模块进行通信连接，实时接收脑电信号探测模块输入的脑电信号，脑电信号预处理电路与调节控制器进行通信连接，接受调节控制器发出的用户指令，执行各项功能，对输入脑电信号的目标频带进行精确提取，获得预处理信号，并且将该预处理信号输出到调节控制器中。
调节控制器，允许用户发出脑电信号接收、预处理等指令，进行光声电磁一体化神经调节信号的闭环反馈编程，将生成的光声电磁一体化神经调节信号输出到光声电磁一体化调节模块，具体的说，在本实施例中，调节控制器:人机接口、运算处理器、存储器以及闭环反馈控制逻辑。
更具体的说，上述光声电磁一体化神经调节信号的闭环反馈编程即为闭环反馈控制逻辑，该控制逻辑被储存在存储器中并且被配置为：当由运算处理器执行时，通过执行以下动作而与光声电磁一体化调节模块进行指令对接：
设定目标值，获取最新的预处理信号，并且从该信号中提取一个或多个目标频带；
确定该目标频带所适用的刺激类型并且将该目标频带与目标值进行比对，得到初始误差，根据该初始误差确定该目标频带所需的增益因子；
再根据增益因子，确定刺激类型的刺激函数，该刺激函数为独立的时域波形；
当该刺激函数的数量大于一个时，对该刺激函数进行调制(如脉冲宽度调制等)和合成，得到初始光声电磁一体化神经调节信号，该信号被传输至光声电磁一体化调节模块以及重复以下动作：
再一次，获取最新的预处理信号，并且从该信号中提取一个或多个目标频带，确定该目标频带的刺激类型并且将该目标频带与目标值进行比对，得到修正误差，再根据该修正误差以及确定的刺激类型，确定该目标频带的刺激函数，当该刺激函数的数量大于一个时，对该刺激函数进行调制(如脉冲宽度调制等)和合成，得到修正后的光声电磁一体化神经调节信号，该信号被传输至光声电磁一体化调节模块，直到获取最新的预处理信号中提取到的所有目标频带与目标值相同时为止；更具体的说，在本实施例中，刺激类型包括：光刺激、声刺激或者电磁刺激。
更具体的说，在本实施例中，获取最新的预处理信号，从该信号中提取θ带、α带、β带和γ带信号，对于其功率谱密度在5、10、25、40Hz附近的波幅和波形，其波幅与标准波幅强度相比，强度倍率分别为1.3、0.6、0.7、0.8；与标准波形相比，其归一化互相关系数分别为0.85。
针对以上四个频带，要对θ带相关环路进行抑制型刺激，采用经颅交变电磁场以5Hz正弦波形作为刺激函数；对α带、β带和γ带相关环路进行具有波形挟带的兴奋型刺激，采用光声复合刺激，以10、25、40Hz短脉冲方波作为刺激波形。这样，总共有4个刺激函数，可以通过如脉冲宽度调制统一编码，形成光声电磁一体化神经调节信号，传输到光声电磁一体化调节模块。
光声电磁一体化调节模块，接收闭环反馈式一体化神经刺激编码算法或者说闭环反馈控制逻辑，解码后生成光、声和电磁三类刺激信号，驱动相应的刺激***，对响应脑区进行一体化刺激，促使所提取的信号能达到目标值水平。
具体的说，在本实施例中，光声电磁一体化调节模块包括可调光刺激***、可调声刺激***和可调电磁刺激***。
更具体的说，可调光刺激***包括驱动控制器、可调光源和刺激光路；驱动控制器对光声电磁一体化神经调节信号进行解码后，根据其中的光刺激函数产生光源驱动控制信号；可采用但不限于基于LED、激光器等发光机理和结构的可调光源；根据光源控制信号，采用内调制或外调制方法使可调光源产生光刺激信号；光刺激信号经过刺激光路输送至响应脑区，具体是光刺激响应脑区，刺激光路可以采用、但不限于自由空间光路、导波光路、表面等离子激元光路或以上各类的结合。
更具体的说，可调声刺激***包括驱动控制器、扬声器和刺激声路；驱动控制器对光声电磁一体化神经调节信号进行解码后，根据其中的声刺激函数产生扬声器驱动控制信号；扬声器可以采用，但不限于基于直接或间接的电致弹性原理的扬声器；根据扬声器控制信号，使扬声器产生声刺激信号；产生声刺激信号经过刺激声路输送至响应脑区，具体是声刺激响应脑区，刺激声路可采用、但不限于自由空间声路、声阻抗匹配层等。
更具体的说，可调电磁刺激***包括驱动控制器、可调电磁刺激器；驱动控制器对光声电磁一体化神经调节信号进行解码后，根据其中的电磁刺激函数产生电磁刺激器驱动控制信号；
可调电磁刺激器可以采用，但不限于能够发射AC/DC刺激电流的非接触/接触型非植入式电极、植入式电极，以及能产生空间交变电磁场的电磁线圈；根据电磁刺激器驱动控制信号，使电磁刺激器产生电磁刺激信号，根据所选择的刺激器类型，非接触/接触型非植入式电极、植入式电极或电磁线圈等，将电磁刺激信号作用于响应脑区，具体是电磁刺激响应脑区。
综上，本发明将脑电信号探测模块、脑电信号预处理模块、调节控制器和光声电磁一体化调节模块，与调节目标大脑中的探测脑区和响应脑区共同构成闭环反馈式结构，由脑电信号探测模块从探测脑区采集的信号，经脑电信号预处理模块预处理后，传入调节控制器计算其与参考值/目标值的差值，生成光声电磁一体化神经调节信号，并控制光声电磁一体化调节模块，对目标大脑的响应脑区进行调节，以使其工作节律达到参考值/目标值。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，包括：
脑电信号探测模块，用于从探测脑区实时获取脑电信号，并传输至脑电信号预处理模块；
所述脑电信号预处理模块，用于从所述脑电信号探测模块获取所述脑电信号；并且根据调节控制器发出的指令，对所述脑电信号进行预处理，得到预处理信号，再将所述预处理信号传输至调节控制器；
所述调节控制器，包括:运算处理器、存储器以及闭环反馈控制逻辑，所述闭环反馈控制逻辑被储存在所述存储器中并且被配置为：当由所述运算处理器执行时，通过执行以下动作而与光声电磁一体化调节模块进行指令对接：
设定目标值，获取最新的预处理信号，并且从该信号中提取一个或多个目标频带；
确定该目标频带所适用的刺激类型并且将该目标频带与所述目标值进行比对，得到初始误差，根据该初始误差确定该目标频带所需的增益因子；
再根据所述增益因子，确定刺激类型的刺激函数，该刺激函数为独立的时域波形；
当该刺激函数的数量大于一个时，对该刺激函数进行调制和合成，得到初始光声电磁一体化神经调节信号，该信号被传输至所述光声电磁一体化调节模块以及重复以下动作：
再一次，获取最新的预处理信号，并且从该信号中提取一个或多个目标频带，确定该目标频带的刺激类型并且将该目标频带与所述目标值进行比对，得到修正误差，再根据该修正误差以及确定的刺激类型，确定该目标频带的刺激函数，当该刺激函数的数量大于一个时，对该刺激函数进行调制和合成，得到修正后的光声电磁一体化神经调节信号，该信号被传输至所述光声电磁一体化调节模块，直到获取最新的预处理信号中提取到的所有目标频带与所述目标值相同时为止；
所述光声电磁一体化调节模块，根据光声电磁一体化神经调节信号，对响应脑区施加相应的刺激。
2.根据权利要求1所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述刺激类型包括：光刺激、声刺激或者电磁刺激。
3.根据权利要求2所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述脑电信号探测模块包括设置在所述探测脑区并且用于实时获取所述脑电信号的脑电信号探测电极，以及与所述脑电信号探测电极电连接的脑电信号接收电路；
所述脑电信号接收电路根据所述脑电信号预处理模块发出的指令，从所述脑电信号探测电极实时接受所述脑电信号，并将该信号传输至所述脑电信号预处理模块；
所述脑电信号探测电极为植入式电极或者非植入式电极，当为植入式电极时，所述脑电信号探测电极包括：按照10-10标准连接的干式或湿式电极以及按照10-20标准连接的干式或湿式电极；当为非植入式电极时，所述脑电信号探测电极包括：Utah电极阵列、Michigan电极阵列或者Medtronic脑深部电极。
4.根据权利要求3所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述脑电信号预处理模块包括用于获取并且预处理所述脑电信号的脑电信号预处理电路，所述预处理包括：滤波、去噪、放大、整形和时域展宽；所述脑电信号预处理电路分别与所述脑电信号探测模块以及所述调节控制器进行通信连接。
5.根据权利要求4所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述所述调节控制器还包括人机接口，所述人机接口包括操作***、输入设备和显示设备。
6.根据权利要求5所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述光声电磁一体化调节模块包括：可调光刺激***、可调声刺激***和可调电磁刺激***。
7.根据权利要求6所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述可调光刺激***包括驱动控制器、可调光源和刺激光路；
所述驱动控制器解码所述光声电磁一体化神经调节信号，得到光源驱动控制信号，所述光源驱动控制信号被传输至所述可调光源，经过所述可调光源调制生成光刺激信号，所述光刺激信号经过所述刺激光路被传输至所述响应脑区；
所述可调光源为LED或者激光器；
所述刺激光路为自由空间光路、导波光路或者表面等离子激元光路。
8.根据权利要求6所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述可调声刺激***包括驱动控制器、扬声器和刺激声路；
所述驱动控制器解码所述光声电磁一体化神经调节信号，得到扬声器驱动控制信号，所述扬声器驱动控制信号被传输至所述扬声器，所述扬声器根据所述扬声器驱动控制信号产生声刺激信号，所述声刺激信号经过所述刺激声路被传输至所述响应脑区；
所述扬声器为基于直接或间接的电致弹性原理的扬声器；
所述刺激声路为自由空间声路或者声阻抗匹配层。
9.根据权利要求6所述的一种闭环反馈式光声电磁一体化大脑工作节律调节装置，其特征在于，所述可调电磁刺激***包括驱动控制器和可调电磁刺激器；
所述驱动控制器解码所述光声电磁一体化神经调节信号，得到电磁刺激器驱动控制信号，所述电磁刺激器驱动控制信号被传输至所述可调电磁刺激器，所述可调电磁刺激器根据所述电磁刺激器驱动控制信号产生电磁刺激信号，所述电磁刺激信号经过电极或者电磁线圈被传输至响应脑区。
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