基于内源性脑信号的闭环神经调控系统、方法和设备技术方案

本发明专利技术属于神经科学和电磁学领域，具体涉及了一种基于内源性脑信号的闭环神经调控系统、方法及设备，旨在解决现有的神经调控技术无法结合光电同步脑活动实时对神经进行调控的问题。本发明专利技术包括：通过脑信号采集设备实时获取多模态脑信号，进而获得被试的脑部血氧水平信号和脑电信号，基于脑部血氧水平信号和脑电信号进行分析和融合生成调控信号对脑部神经进行调控，根据调控效果评价优化调控参数，进而实现外源性刺激信号闭环动态地控制内源性脑信号。本发明专利技术通过实时采集内源性的脑信号，同步调整外部调控设备的调控参数，实现了外源性刺激信号对内源性脑信号的精确闭环控制。制。制。

【技术实现步骤摘要】
基于内源性脑信号的闭环神经调控系统、方法和设备


[0001]本专利技术属于神经科学和电磁学领域，具体涉及了一种基于内源性脑信号的闭环神经调控系统、方法及设备。

技术介绍

[0002]脑神经调控技术是通过侵入性或非侵入性手段，利用光、磁、电、超声等物理或化学等外部技术手段改变脑部内源神经信号传递，从而引起脑功能变化的重要方法。神经调控不仅能在较短时间内引起神经元结构变化，而且特定设计的调控范式还可带来功能环路的改变，从而恢复或者提高神经突触连接可塑性，是解析神经元信号传导、研究神经环路、阐明脑功能与行为因果关系的得力工具，又是治疗临床神经系统疾病的重要手段。
[0003]然而现有的神经调控技术仍处于技术突破和发展阶段，由于刺激参数固定、刺激流程单一、刺激效果难以定量评估，目前应用于临床的神经调控技术常为开环控制并未实现患者个体化闭环的治疗，存在着适应症有限、治疗稳定性不佳以及个体差异明显等问题。无创神经调控的效果随着大脑状态的不同而不同，这就启示我们当前开环神经调控存在的缺点，很可能是因为没有结合个体的内源性脑信号来调控，神经调控的参数需结合给定时间的大脑功能活动进行动态控制。
[0004]脑功能活动包括神经元活动和局部能量代谢等多个过程，复杂的功能活动使得脑汇集了多个模态的信息，其中最为重要的是神经元的电活动和激活区域的血氧代谢变化，只有实现这两种信息的有效提取、分析和融合，才能将脑功能活动有机的联系起来。光电同步脑活动检测仪可以同时检测脑电信号和脑血氧信号从而从两个维度解析脑功能信号。截至目前，尚没有结合光电同步脑活动检测仪来实时评估脑状态，并以此来控制神经调控的参数，实现个体化闭环调控目的。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即现有的神经调控技术无法结合光电同步脑活动实时对神经进行调控，本专利技术提供了一种基于内源性脑信号的闭环神经调控系统，包括脑信号采集模块、调控处理模块和调控参数优化模块；
[0006]所述脑信号采集模块，配置为通过脑信号采集设备实时获取多模态脑信号；所述多模态脑信号包括血氧水平信号fNIRS和脑电信号EEG；
[0007]所述调控处理模块，包括静息阶段单元、调控阶段单元和评价阶段单元；
[0008]所述静息阶段单元，配置为基于所述多模态脑信号，进行解码获取静息脱氧血红蛋白浓度信息HbR、静息氧合血红蛋白浓度信息HbO、EEG各子频段的静息阶段频点和EEG各子频段的静息阶段幅值，并进行子频段修正生成个体化子频段；
[0009]所述调控阶段单元，配置为通过基于所述多模态脑信号，进行解码获取最新ns的脱氧血红蛋白浓度信息HbR和氧合血红蛋白浓度信息HbO，通过带通滤波和平均处理的方式获得调控脱氧血红蛋白浓度信息和调控氧合血红蛋白浓度信息；基于所述多模态脑信号截
取最新ms的脑电信号EEG，并对各子频段进行个体化子频段的带通滤波、快速傅里叶变换和希尔伯特变换计算各子频段的调控阶段幅值和调控阶段相位；n和m为非负数；
[0010]基于所述调控脱氧血红蛋白浓度信息和调控氧合血红蛋白浓度信息设置调控设备刺激的幅度控制信号，基于所述幅度控制信号和调控阶段相位生成控制信号的调控时刻，基于所述调控设备刺激的幅值和调控时刻生成调控信号，通过调控设备输出调控信号；
[0011]所述评价阶段单元，在调控阶段单元完成调控之后，基于所述多模态脑信号，进行解码获取评价脱氧血红蛋白浓度信息、评价氧合血红蛋白浓度信息、各子频段的评价阶段频点和各子频段的评价阶段幅值；
[0012]基于所述评价脱氧血红蛋白浓度信息、评价氧合血红蛋白浓度信息、静息脱氧血红蛋白浓度信息和静息氧合血红蛋白浓度信息计算血氧调控效果；
[0013]基于所述各子频段的评价阶段幅值和各子频段的静息阶段幅值计算脑电调控效果；
[0014]所述调控参数优化模块，配置为基于所述血氧调控效果和脑电调控效果调整调控参数。
[0015]在一些优选的实施方式中，所述静息阶段单元包括：
[0016]配置为对所述脱氧血红蛋白浓度信息HbR、氧合血红蛋白浓度信息HbO进行0.01Hz
‑
0.2Hz的带通滤波，并对4个通道脑血氧信息平均处理获得静息脱氧血红蛋白浓度信息HbR
rest
和静息氧合血红蛋白浓度信息HbO
rest
；
[0017]对所述脑电信号EEG进行0.5Hz
‑
100Hz的带通滤波以及50Hz的陷波处理，根据脑电频率标准分为δ频段、θ频段、α频段和β频段，通过快速傅里叶变换计算出各子频段的静息阶段幅值和并计算各子频段幅值最高的静息阶段频点和对各子频段进行修正获得个体化的子频段对各子频段进行修正获得个体化的子频段和和
[0018]在一些优选的实施方式中，所述调控阶段单元包括：
[0019]配置为通过ns的矩形窗或汉宁窗截取血氧水平信号fNIRS，获得最新ns的脱氧血红蛋白浓度信息HbR和氧合血红蛋白浓度信息HbO，基于所述最新最新ns的脱氧血红蛋白浓度信息HbR和氧合血红蛋白浓度信息HbO进行0.01Hz
‑
0.2Hz的带通滤波并对4个通道脑血氧信息平均处理获得调控脱氧血红蛋白浓度信息HbR
now
和调控氧合血红蛋白浓度信息HbO
now
；
[0020]通过ms的矩形窗或汉宁窗截取所述脑电信号EEG，获得最新ms的脑电信号，基于所述最新ms的脑电信号进行0.5Hz
‑
100Hz的带通滤波及50Hz的陷波处理，接着进行100Hz的带通滤波及50Hz的陷波处理，接着进行和和的带通滤波，再在4个子频段中分别进行快速傅里叶变换和希尔伯特变换计算静息阶段频点和对应的调控阶段幅值和与调控阶段幅值相应的调控阶段相位为
和
[0021]基于相对于基线的脑血氧幅度控制信号、相对于基线的脑电幅度控制信号确定触发阈值，基于所述调控阶段相位获取相位控制信号进而获取调控时刻，根据所述触发阈值和调控时刻生成调控信号；
[0022]所述相对于基线的脑血氧幅度控制信号为所述相对于基线的脑血氧幅度控制信号为其中A和B为待调整参数，取值范围为[
‑
1,1]；
[0023]所述相对于基线的脑电幅度控制信号为所述相对于基线的脑电幅度控制信号为其中C、D、E和F为待调整参数，取值范围为[
‑
1,1]；
[0024]所述相位控制信号为为其中，G、H、I和J为预设的参数，取值范围为[
‑
1,1]；
[0025]所述触发阈值为Modu
Thr
＝M*Hb
modu
+N*EEG
modu
，调控时刻为Time＝ANG
modu
，其中M和N为待调整参数，取值范围为[
‑
1,1]；
[0026]所述调控信号Dev
Modu
为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于内源性脑信号的闭环神经调控系统，其特征在于，所述系统包括：脑信号采集模块、调控处理模块和调控参数优化模块；所述脑信号采集模块，配置为通过脑信号采集设备实时获取多模态脑信号；所述多模态脑信号包括血氧水平信号fNIRS和脑电信号EEG；所述调控处理模块，包括静息阶段单元、调控阶段单元和评价阶段单元；所述静息阶段单元，配置为基于所述多模态脑信号，进行解码获取静息脱氧血红蛋白浓度信息HbR、静息氧合血红蛋白浓度信息HbO、EEG各子频段的静息阶段频点和EEG各子频段的静息阶段幅值，并进行子频段修正生成个体化子频段；所述调控阶段单元，配置为通过基于所述多模态脑信号，进行解码获取最新ns的脱氧血红蛋白浓度信息HbR和氧合血红蛋白浓度信息HbO，通过带通滤波和平均处理的方式获得调控脱氧血红蛋白浓度信息和调控氧合血红蛋白浓度信息；基于所述多模态脑信号截取最新ms的脑电信号EEG，并对各子频段进行个体化子频段的带通滤波、快速傅里叶变换和希尔伯特变换计算各子频段的调控阶段幅值和调控阶段相位；基于所述调控脱氧血红蛋白浓度信息和调控氧合血红蛋白浓度信息设置调控设备刺激的幅度控制信号，基于所述幅度控制信号和调控阶段相位生成控制信号的调控时刻，基于所述调控设备刺激的幅值和调控时刻生成调控信号，通过调控设备输出调控信号；所述评价阶段单元，在调控阶段单元完成调控之后，基于所述多模态脑信号，进行解码获取评价脱氧血红蛋白浓度信息、评价氧合血红蛋白浓度信息、各子频段的评价阶段频点和各子频段的评价阶段幅值；基于所述评价脱氧血红蛋白浓度信息、评价氧合血红蛋白浓度信息、静息脱氧血红蛋白浓度信息和静息氧合血红蛋白浓度信息计算血氧调控效果；基于所述各子频段的评价阶段幅值和各子频段的静息阶段幅值计算脑电调控效果；所述调控参数优化模块，配置为基于所述血氧调控效果和脑电调控效果调整调控参数。2.根据权利要求1所述的基于内源性脑信号的闭环神经调控系统，其特征在于，所述静息阶段单元包括：配置为对所述脱氧血红蛋白浓度信息HbR、氧合血红蛋白浓度信息HbO进行0.01Hz
‑
0.2Hz的带通滤波，并对4个通道脑血氧信息平均处理获得静息脱氧血红蛋白浓度信息HbR
rest
和静息氧合血红蛋白浓度信息HbO
rest
；对所述脑电信号EEG进行0.5Hz
‑
100Hz的带通滤波以及50Hz的陷波处理，根据脑电频率标准分为δ频段、θ频段、α频段和β频段，通过快速傅里叶变换计算出各子频段的静息阶段幅值和并计算各子频段幅值最高的静息阶段频点和对各子频段进行修正获得个体化的子频段对各子频段进行修正获得个体化的子频段和和3.根据权利要求2所述的基于内源性脑信号的闭环神经调控系统，其特征在于，所述调控阶段单元包括：
配置为通过ns的矩形窗或汉宁窗截取血氧水平信号fNIRS，获得最新ns的脱氧血红蛋白浓度信息HbR和氧合血红蛋白浓度信息HbO，基于所述最新最新ns的脱氧血红蛋白浓度信息HbR和氧合血红蛋白浓度信息HbO进行0.01Hz
‑
0.2Hz的带通滤波并对4个通道脑血氧信息平均处理获得调控脱氧血红蛋白浓度信息HbO
now
和调控氧合血红蛋白浓度信息HbO
now
；n为非负数；通过ms的矩形窗或汉宁窗截取所述脑电信号EEG，获得最新ms的脑电信号，基于所述最新ms的脑电信号进行0.5Hz
‑
100Hz的带通滤波及50Hz的陷波处理，接着进行100Hz的带通滤波及50Hz的陷波处理，接着进行和的带通滤波，再在4个子频段中分别进行快速傅里叶变换和希尔伯特变换计算静息阶段频点和对应的调控阶段幅值和与调控阶段幅值相应的调控阶段相位为和m为非负数；基于相对于基线的脑血氧幅度控制信号和相对于基线的脑电幅度控制信号确定触发阈值，基于所述调控阶段相位获取相位控制信号进而获取调控时刻，根据所述触发阈值和调控时刻生成调控信号；所述相对于基线的脑血氧幅度控制信号为所述相对于基线的脑血氧幅度控制信号为其中A和B为待调整参数，取值范围为[
‑
1,1]；所述相对于基线的脑电幅度控制信号为所述相对于基线的脑电幅度控制信号为其中C、D、E和F为待调整参数，取值范围为[
‑
1,1]；所述相位控制信号为所述相位控制信号为其中，G、H、I和J为预设的参数，取值范围为[
‑
1,1]；所述触发阈值为Modu
Thr
＝M*Hb
modu
+N...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩，蒋田仔，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：