CN115400350A - 一种神经调控装置及其波形调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学行业神经调控技术领域，具体提供一种神经调控装置及其波形调控方法。神经调控装置包括：电流驱动装置，用以提供脉冲直流电路；波形发生模块，用于接收控制模块的指令生成基波为脉冲波的波形信号；刺激模块，用于对波形发生模块发送的波形信号进行信号处理，降低波形信号中高频段占比至正常范围内。本发明将现有技术中的恒定直流电转换为脉冲直流电，通过对基波频率在13‑30Hz的高频段脑电波进行干预，降低该频谱成分中的β和Hβ波段，可以有效地减少焦虑和冲动，从而实现无创深度调控大脑神经元区，针对特定的大脑状态实现精准调控，提高操作效率，同时具有体积小、成本低、操作简单、携带方便等特点。

Description

一种神经调控装置及其波形调控方法

技术领域

本发明涉及生物医学行业神经调控技术领域，尤其涉及一种神经调控装置及其波形调控方法。

背景技术

随着社会的飞速发展，人们在生活和工作中面临着各种各样的压力，亚健康已成为是当代人普遍存在的一种健康问题。精神疾病或脑功能亚健康从本质上来讲是由于大脑神经环路的异常引起的。大脑是一个由成千亿个神经元组成的器官，这些神经元形成一个相互交织的神经网络，神经网络之间通过神经元的膜电位发放进行信息的传递与整合。因此，神经环路的异常也可以认为是大脑神经网络电活动的紊乱。

经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS)是一种非侵入性的，通过在头皮施加恒定、低强度直流电(1~2 mA)调节大脑皮层神经元活动的技术。它需要至少一个刺激电极和返回电极构成环路，可分为阳极和阴极刺激两种模式。tDCS通过电极经过头皮向颅内特定区域输入电流，发现阳极刺激能提高皮层兴奋性，阴极能降低皮层兴奋性。而此兴奋性的提高或降低则可引起大脑功能性的改变，可以用来治疗疾病或者研究大脑的功能。

tDCS在临床治疗和认知神经科学研究的应用日益增多，成为近年来发展速度最快的脑刺激技术，因其使用方便、副作用少且无需麻醉、经济实惠等突出优点受到广泛关注，在心理学研究上的应用主要涉及对大脑特定区域或者特定心理问题的研究，许多学者的研究方法为刺激特定区域并观察被试在进行认知任务时的各种表现，其研究范围非常广泛包括：认知/思维/情感/记忆/学习/知觉(视觉、听觉、空间)/计划/冲动/行为/言语/注意力/社会认知等，几乎涵盖了心理学研究的所有方面。

在申请公开号为CN106310517A的中国专利中，介绍了一种可穿戴式脑功能调控***，包括：多通道脑电记录电极、直流电刺激电极、数据采集与控制模块、通信模块、头部可穿戴支撑模块、云平台数据库及移动终端；多通道脑电记录电极从头皮采集电位变化信号；直流电刺激电极对头皮进行刺激；数据采集与控制模块连接多通道脑电记录电极及直流电刺激电极，根据电位变化信号生成用户生理状态数据，通过通信模块输出至云平台数据库；通过通信模块接收移动终端发来的刺激指令，根据刺激指令向直流电刺激电极输出刺激电流；云平台数据库存储电位变化信号及用户生理状态数据；移动终端分析存储及显示用户生理状态数据，并输出刺激指令。其核心内容是解决该调控***可穿戴的问题，因而携带方便，且因为能采集脑电信号，因此能对大脑活动状态予以精准调控。但该技术是基于大脑皮层的神经调控技术，重点介绍的为神经元调控的范围只能局限于大脑皮层，而无法到达大脑深部，因此调控的范围有限，限制了***的使用范围和使用效果，并没有介绍如何调节波形使其更好达到调控效果。

在申请公开号为CN107468235A的中国专利中，介绍了一种神经调控检测集成***及方法，调控事件发生模块，用千产生神经调控事件，完成对被检测对象的神经刺激调控，其中，所述神经调控事件包括神经调控估号；数据处理模块，用于接收神经信号及所述神经调控信号，并对该神经信号及神经调控估号进行同步分析处理，以获取神经信号及神经调控信号间的时序关系。该技术还提供了种神经调控检测集成方法，可以有效满足神经调控的需求，简化了实验操作、提高了实验效率。同样，该专利中也没有关于波形调控的任何报道。

因此，有必要提供一种神经调控装置用波形调控方法，通过波形调控，有针对性地调节脑波频率。

发明内容

根据上述提出的现有的调控大脑脑波频率均采用的直流刺激且刺激精准性有待提高的技术问题，而提供一种神经调控装置及其波形调控方法。本发明将现有技术中的恒定直流电转换为脉冲直流电，通过对基波频率在13-30Hz的高频段脑电波进行干预，降低该频谱成分中的δ、θ、α、SMR、β和Hβ波段，可以有效地减少焦虑和冲动，从而实现无创深度调控大脑神经元区，针对特定的大脑状态实现精准调控，提高操作效率，同时具有体积小、成本低、操作简单、携带方便等特点。

本发明采用的技术手段如下：

一种神经调控装置，包括：

控制模块，与波形发生模块连接，用于向所述波形发生模块发送指令；

波形发生模块，用于接收所述控制模块的指令生成基波为脉冲波的波形信号；

刺激模块，与所述波形发生模块连接，用于对所述波形发生模块发送的波形信号进行信号处理，降低波形信号中高频段占比至正常范围内；

电流驱动模块，用于为所述装置提供脉冲直流电路。

进一步地，所述控制模块接收所述电流驱动模块提供的脉冲直流电，通过设置脉冲基波的占空比调整所述波形发生模块生成的波形信号。

进一步地，所述占空比是在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占比例，调整至（1-3）：（9-7）。

进一步地，所述刺激模块包括斩波单元，所述斩波单元用于在谐振中实现对基波高振幅结构的干扰。

进一步地，所述斩波单元的斩波频率设定为1000-2000Hz。

进一步地，还包括电极单元，与所述刺激模块连接，用于将所述刺激模块处理后的波形信号作用于用户脑部。

进一步地，还包括通信模块，所述通信模块与所述控制模块连接，用于实现终端与所述控制模块之间的通信，所述终端通过所述通信模块向所述控制模块发送控制指令和通过所述通信模块接收所述控制模块发送的信息。

进一步地，所述终端还包括同步显示界面，用于实现人机交互，基于用户脑部状态评估生成数据的展示。

本发明还公开了一种神经调控装置的波形调控方法，包括：

通过控制模块接收电流驱动模块提供的脉冲直流电生成指令传递至波形发生模块；

通过所述波形发生模块根据指令生成基波为脉冲波的波形信号且具有预设占空比，并将所述波形信号发送给刺激模块；

通过所述刺激模块对所述波形信号进行信号处理，通过斩波单元将高频段的波形信号斩断，降低其占比；

通过电极单元将所述信号处理后的波形信号作用于用户脑部，在所述用户脑部形成新的波形信号。

本发明具有以下优点：

本发明通过将现有技术中的恒定直流电调整为脉冲直流电，对大脑施加高频电信号可以让信号有效的穿透大脑表层，抵达更深的脑组织。部分焦虑、情绪冲动人群常见频谱成份，脑电β段：13-20Hz，Hβ段：20-30Hz，可高达10-30%，对身心影响很大。通过降低高频段脑电至通常的频谱成份的3-6%之间，可以有效减少用户的焦虑和冲动。

本发明结合占空比及斩波频率的调整，可以在谐振中实现对基波高振幅结构的破坏，实现抑制靶频点的目的。本发明tDCS可无创穿过颅骨，直接以微弱电流刺激前额叶皮层来调节大脑皮质兴奋性，以此达到调理改善抑郁症状的目的，具有成本低、方便携带、易操作，基本无副作用的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明神经调控装置的波形调控至占空比为30%的波形示意图。

图2为本发明神经调控装置中采用斩波手段对波形调控后的波形示意图。

图3为图2的局部放大图，图中在基波13~30Hz中套1个6倍的斩波，形成抑制功能。

图4a为用户李某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图。

图4b为用户李某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波段在16个点位的频谱图。

图4c为用户李某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波在16个点的百分占比图。

图4d为采用本发明神经调控装置对用户李某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图。

图4e为采用本发明神经调控装置对用户李某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波段在16个点位的频谱图。

图4f为采用本发明神经调控装置对用户李某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波在16个点的百分占比图。

图5a为用户孙某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图。

图5b为用户孙某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波段在16个点位的频谱图。

图5c为用户孙某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波在16个点的百分占比图。

图5d采用本发明神经调控装置对用户孙某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图。

图5e采用本发明神经调控装置对用户孙某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波段在16个点位的频谱图。

图5f采用本发明神经调控装置对用户孙某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波在16个点的百分占比图。

图6a为用户蔡某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图。

图6b为用户蔡某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波段在16个点位的频谱图。

图6c为用户蔡某使用本发明神经调控装置前进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波在16个点的百分占比图。

图6d采用本发明神经调控装置对用户蔡某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图。

图6e采用本发明神经调控装置对用户蔡某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中为脑电波段在16个点位的频谱图。

图6f采用本发明神经调控装置对用户蔡某进行脑波测试的16导脑电地形图，其中脑电波在16个点的百分占比图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明提供的一种神经调控装置，包括：控制模块、电流驱动模块、波形发生模块、刺激模块、通信模块等均被集成在集成电路里。

电流驱动模块为整个装置进行供电，提供的为脉冲直流电路。

控制模块连接波形发生模块，通过控制模块接收电流驱动模块提供的脉冲直流电生成指令传递至波形发生模块；

所述波形发生模块根据指令生成基波为脉冲波的波形信号且具有预设占空比，并将所述波形信号发送给刺激模块；

波形发生模块与刺激模块连接，用于接收控制模块的指令生成基波为脉冲波的波形信号；基波为13-30Hz的脉冲波，基波在13~20Hz段，可以解决易疲劳，过于兴奋的问题；而基波在20~30Hz段，可以解决焦虑和烦躁问题。

所述控制模块通过设置占空比调整所述波形发生模块提供的波形信号，占空比指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。本发明中可将占空比调整至（1-3）：（9-7），优选的方案占空比可采用1:9的比例，也可调制为3:7之间（如图1所示）。

刺激模块，用于对波形发生模块发送的波形信号进行信号处理，降低波形信号中高频段占比至正常范围内。所述刺激模块包括斩波单元，斩波频率设定为1000-2000Hz，在谐振中实现对基波高振幅结构的破坏，实现抑制靶频点的目的。如图2、图3所示，在基波13~30Hz中套1个6倍的斩波，形成抑制功能。

电极单元，与所述刺激模块连接，用于将所述刺激模块处理后的波形信号作用于用户脑部。

还包括通信模块，所述通信模块与所述控制模块连接，用于实现终端与所述控制模块之间的通信，所述终端通过所述通信模块向所述控制模块发送控制指令和通过所述通信模块接收所述控制模块发送的信息。

所述终端还包括同步显示界面，用于实现人机交互，基于用户脑部状态评估生成数据的展示。

具体地，波形发生模块接收控制模块的指令生成对应的波形信号。控制模块将需要生成的波形信号的参数特征处理成指令发送给波形发生模块，波形发生模块解析指令中的参数特征，生成脉冲波为基波的数据将波形信号发送给刺激模块。

本发明还公开了一种神经调控装置的波形调控方法，具体步骤包括：

首先用户通过中端输入所需波形信号的参数特征，如频率、幅值等，终端将参数特征通过通信模块发送给控制模块；

控制模块解析数据参数后，通过生成指令传递至波形发生模块；波形发生模块接收到指令，通过所述波形发生模块根据第一指令生成基波为脉冲波的波形信号且具有预设占空比，基波为13-30Hz的脉冲波，将占空比调整至（1-3）：（9-7）。

波形发生模块将波形信号发送给刺激模块，通过所述刺激模块对所述波形信号进行信号处理，通过斩波单元将高频段的波形信号斩断，降低其占比至通常的频谱成份的3-6%之间；

通过电极单元将所述信号处理后的波形信号作用于用户脑部，在所述用户脑部形成新的波形信号；与现有神经调控技术相比，该方法无需对人体进行任何有创操作即可实现通过设定占空比和斩波干预对脉冲基波进行调整，可有效深度干预调控脑部神经元区，且能有针对性地进行调控，调控范围广、调控效果好，调控后用户维持正常高频段脑电时间持续久，具有很好的市场前景。

实施例1

如图4a-4f所示，是测试前和采用本发明神经调控装置对用户李某进行脑波测试的16导脑电地形图，图4a为脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图，图4b为脑电波段在16个点位的频谱图，图4c为脑电波在16个点的百分占比图。

用户李某使用本发明tDCS设备1次，时间为15分钟，参数设置为：电流强度0.5mA，占空比2:8，斩波频率1000Hz，在1个26Hz的基波中有9个1000Hz的斩波，功能为降低Hβ，使用16导脑电地形图仪所做的使用前、后结果对照分析。从脑电图分析结果（图4d-图4f）中，最下面的波段（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）百分占比图可以看出，Hβ的平均占比从20.44减低到了17.84。单次训练，Hβ降低了12%。

实施例2

如图5a-5f所示，是测试前和采用本发明神经调控装置对用户孙某进行脑波测试的16导脑电地形图，图5a为脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图，图5b为脑电波段在16个点位的频谱图，图5c为脑电波在16个点的百分占比图。

用户孙某使用本发明tDCS设备1次，时间为15分钟，电流强度0.6mA，占空比1：9，斩波频率100Hz，在1个10Hz的基波中有1个100Hz的斩波，功能为提高α。使用16导脑电地形图仪做了前、后结果对照分析。从脑电图分析结果（图5d-图5f）中，最下面的波段（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）百分占比图可以看出，α的平均百分占比从46.18提高到了51.47。单次训练后，α提高了11.5%。

实施例3

如图6a-6f所示，是测试前和采用本发明神经调控装置对用户蔡某进行脑波测试的16导脑电地形图，图6a为脑电波（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）占比的地形图，图6b为脑电波段在16个点位的频谱图，图6c为脑电波在16个点的百分占比图。

用户蔡某使用本发明tDCS设备1次，时间为15分钟，电流强度0.6mA，占空比1:9，斩波频率10Hz，在1个1Hz的基波中有1个10Hz的斩波，功能为降低δ。使用16导脑电地形图仪做了前后结果对照分析。从脑电图分析结果（图6d-图6f）中，最下面的波段（δ、θ、α、SMR、β、Hβ）百分占比图可以看出，δ的平均占比从26.07降低到了22.35。单次训练后，δ降低了14.2%。

以上各实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种神经调控装置，其特征在于，包括：

控制模块，与波形发生模块连接，用于向所述波形发生模块发送指令；

波形发生模块，用于接收所述控制模块的指令生成基波为脉冲波的波形信号；

刺激模块，与所述波形发生模块连接，用于对所述波形发生模块发送的波形信号进行信号处理，降低波形信号中高频段占比至正常范围内；

电流驱动模块，用于为所述装置提供脉冲直流电路。

2.根据权利要求1所述的神经调控装置，其特征在于，所述控制模块接收所述电流驱动模块提供的脉冲直流电，通过设置脉冲基波的占空比调整所述波形发生模块生成的波形信号。

3.根据权利要求2所述的神经调控装置，其特征在于，所述占空比是在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占比例，调整至（1-3）：（9-7）。

4.根据权利要求1所述的神经调控装置，其特征在于，所述刺激模块包括斩波单元，所述斩波单元用于在谐振中实现对基波高振幅结构的干扰。

5.根据权利要求4所述的神经调控装置，其特征在于，所述斩波单元的斩波频率设定为1000-2000Hz。

6.根据权利要求1所述的神经调控装置，其特征在于，还包括电极单元，与所述刺激模块连接，用于将所述刺激模块处理后的波形信号作用于用户脑部。

7.根据权利要求1所述的神经调控装置，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块与所述控制模块连接，用于实现终端与所述控制模块之间的通信，所述终端通过所述通信模块向所述控制模块发送控制指令和通过所述通信模块接收所述控制模块发送的信息。

8.根据权利要求7所述的神经调控装置，其特征在于，所述终端还包括同步显示界面，用于实现人机交互，基于用户脑部状态评估生成数据的展示。

9.一种神经调控装置的波形调控方法，其特征在于，包括：

通过控制模块接收电流驱动模块提供的脉冲直流电生成指令传递至波形发生模块；

通过所述波形发生模块根据指令生成基波为脉冲波的波形信号且具有预设占空比，并将所述波形信号发送给刺激模块；

通过所述刺激模块对所述波形信号进行信号处理，通过斩波单元将高频段的波形信号斩断，降低其占比；

通过电极单元将所述信号处理后的波形信号作用于用户脑部，在所述用户脑部形成新的波形信号。

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