基于实时脑电信号的可调相位的自动电刺激系统

技术领域

本发明属于认知神经科学技术领域，涉及到实时监测脑电信号的自动电刺激系统。

背景技术

经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)可用于神经系统干预。tACS的有利特征包括双相和正弦tACS电流，夹带大量神经元群体的能力以及对体细胞效应的微妙控制。通过对相位、神经活动的神经调控，tACS是研究认知神经相关性的强大工具。tACS可以与其他非侵入性神经调控技术和EEG相结合，以增强实验推断。

然而，目前市面上的基于脑电的经颅电刺激仪器功能比较单一简单，这类设备往往需要一个操作者来操作，操作者需要根据使用者的大脑活动来手动设置参数，发出刺激指令后进行电刺激，尤其是无法做到对相位的自由调控、或者是相位的调控较为复杂。这类设备操作复杂、系统延迟很大，效果不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何实时监测脑电信号从而能够自动进行电刺激，进而满足科研和医疗领域的需求。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：基于实时脑电信号的可调相位的自动电刺激系统，包括脑电信号采集设备、脑电放大器、工控机、上位机、和电刺激模块，其中调整相位模块预先安装在工控机中，选择个性化参数模块、电刺激参数设置模块、通信模块预先安装在上位机当中；

用户首先正确佩戴脑电信号采集设备，工控机发出指令控制脑电信号采集设备的采集以及脑电放大器对采集信号的放大、降噪、滤波并以数字信号形式进行输出，脑电信号采集设备自动检测一段时间内的用户脑电信号情况，然后将该信号作为数据输入，工控机通过通信模块将经过处理的数字信号发送到上位机的选择个性化参数模块，选择个性化参数模块做出判断结果，预测出体验感最佳的脑电信号频段，上位机根据结果给出一个最佳的频率参数传给电刺激参数设置模块，电刺激参数设置模块根据不同的分类结果设置合适的电刺激参数，在自动设置好参数之后，上位机通过通信模块将电刺激参数和开始刺激的指令传给工控机，工控机发出电刺激指令和电刺激参数至电刺激模块，电刺激模块在调整相位模块的作用下延迟一段时间后进行刺激。

作为进一步优化的技术方案，所述脑电信号采集设备采用干电极或凝胶电极等可替换电极头，8-32导不定导联的具有韧性和弹性的硬性材料的电极帽。

作为进一步优化的技术方案，患者需要先佩戴电信号采集设备采集脑电信号，用上位机对信号进行分频段计算，计算Delta波(1-3hz)，Theta波(4-8hz)，Alpha波(8-13hz)，Beta波(14-30hz)频段的平均分量进行计算，每15秒钟更新一次脑电波的强度均值与方差。

作为进一步优化的技术方案，所述的选择个性化参数模块包括以下功能：

S1、定义目标函数：将tACS刺激参数空间中的每一组参数映射到一个目标函数，该函数度量刺激对于个体的效果；

S2、选择先验模型：选择先验模型来建模目标函数的不确定性；

S3、确定参数空间：定义tACS刺激参数的搜索空间，确保参数空间覆盖潜在的有效配置；

S4、采样点并评估目标函数：使用贝叶斯优化算法在参数空间中选择新的样本点，并在实际实验或仿真中评估目标函数，每次评估都提供新的观测结果，用于更新模型；

S5、更新模型：使用新的观测结果更新高斯过程模型，以更准确地表示目标函数，并提供下一个最有希望的采样点；

S6、迭代：重复上述过程，直到贝叶斯优化算法收敛到一个认为是全局最优或局部最优的参数配置；

S7、验证和调整：最后，验证在找到的最优参数配置下的效果，并根据实际效果调整或优化参数搜索过程。

作为进一步优化的技术方案，所述S1中，目标函数包括大脑活动的特定指标、行为效果、主观反馈，所述S3中，搜索空间包括刺激强度、频率、持续时间。

作为进一步优化的技术方案，所述选择个性化参数模块的具体实现包括下述步骤：

S10、将接收到的来自工控机的数字信号进行进一步预处理；

S12、利用选择个性化参数方法对经过进一步预处理的数据进行模式识别，得到选择个性化参数判断结果；

S14、根据实验或者治疗任务的目的，利用得到的选择个性化参数判断结果来自适应设置合适的电刺激参数。

作为进一步优化的技术方案，所述的调整相位模块，包括以下步骤：

S22、先搭建一个测试系统来计算该电刺激系统的延迟时间，记为t(f)，该时间是一个随频率变化的函数；

S24、将电刺激波形向后延迟delay time达到电刺激波形与脑电波形相位同步。

作为进一步优化的技术方案，步骤S24中，将电刺激波形向后延迟delay time＝3/4T-t(f)，其中：T为电刺激波形的周期，T＝1/f，或根据实际使用需求调整delay time以达到不同相位的目的。

作为进一步优化的技术方案，所述步骤S22具体为：用一个信号发生器模拟脑电输入信号，工控机控制脑电放大器的第一导来采集该输入信号，根据原先编好的程序对该采集到的信号进行判断，当满足设定的判断条件后立即触发电刺激，同时将该电刺激信号传入脑电放大器的第二导，只需要对第二导的信号进行分析计算，计算出第一个采集点与第一个电刺激点之间的距离，即得到整个系统的电刺激延迟时间，系统的电刺激延迟时间与tACS电刺激的刺激频率有关，需要测量在每个频率下的系统延迟时间，根据测量的结果制作系统延迟记录表，供后续相位调整模块使用。

作为进一步优化的技术方案，所述脑电放大器的采样频率是1000hz，系统使用频段是1-45hz时，则需计算1.0-45.0hz的系统延迟，后续根据实际使用场景能够拓展。

本发明的优点在于：

本发明提供的基于实时脑电信号的可设置个性化刺激参数的自适应电刺激系统，通过直接与头皮接触的脑电信号采集设备采集头皮表面的脑电信号，并通过脑电放大器进行预处理和模数转换后发送到工控机；进而工控机同时将采集到的实时数据流发送到上位机；预先安装在上位机上的选择个性化参数处理模块通过选择个性化参数的方法将其，对采集脑电信号的被试的大脑状态做出；预先安装在上位机的电刺激参数判断模块根据用选择个性化参数算法计算出的结果自适应设置合适的电刺激参数；预先安装在上位机的通信模块将电刺激参数发送到工控机，工控机将电刺激参数和电刺激指令发送到电刺激模块，电刺激模块在调整相位模块的作用下延迟一段时间后进行刺激。本发明兼顾了操作简单、实时性、自适应化、效果显著等优势，满足了科研和医疗领域对可实现复杂功能(如治疗精神疾病等)的基于实时脑电信号的可设置个性化刺激参数的自适应电刺激系统的需求，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中实施例基于实时脑电信号的可调相位的自动电刺激系统的示意图。

图2为本发明中计算本系统的延迟的示意图。

图3为本发明中选择个性化参数模块功能图。

图4为本发明中提供的一种调整同相位电刺激的示意图。

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，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作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。

请参阅图1，本发明提供的基于实时脑电信号的可调相位的自动电刺激系统包括脑电信号采集设备、脑电放大器、工控机、上位机、相位调整模块以及电刺激模块。其中选择个性化参数模块、电刺激参数设置模块、通信模块预先安装于上位机当中，脑电信号采集设备、脑电放大器、工控机、上位机依次连接，电刺激模块与工控机相连接，调整相位模块预先安装在工控机中。

所述脑电信号采集设备采用将头皮上的脑电信号采集并传送到脑电放大器，所述脑电放大器对采集的信号放大、降噪、滤波并传送到工控机，所述工控机控制对脑电信号的采集、放大、降噪、滤波并将采集到的脑电数据流实时发送到上位机上处理，所述选择个性化参数模块通过对来自工控机的实时脑电信号进行预处理和进一步的分析和分类，给出一个最佳的频率参数通过工控机传给电刺激模块，通过该频率的电刺激以帮助用户获得最佳体验根据实验或者治疗任务的目的。

具体的，预先安装在上位机的电刺激参数判断模块根据用选择个性化参数算法计算出的结果自适应设置合适的电刺激参数；预先安装在上位机的通信模块将电刺激参数发送到工控机，工控机将电刺激指令和电刺激参数发送到电刺激模块，电刺激模块将电刺激的波形向后延迟一段时间，随后进行电刺激。

所述脑电信号采集设备采用干电极或凝胶电极等可替换电极头，8-32导不定导联的硬性材料(具有一定韧性和弹性)电极帽将头皮上的脑电信号采集并传送到脑电放大器。

所述脑电信号采集设备，包括以下部分：

1、硬性材料(具有一定韧性和弹性)制作的头戴设备(脑电帽)；

2、可替换的一次性或可重复使用干电极或湿电极或凝胶电极；

3、电极分布的位置和数量根据“国际10-20系统”进行配置；

所述脑电放大器对采集的信号放大、降噪、滤波等。

所述工控机控制对脑电信号的采集、放大、降噪、滤波并将采集到的脑电数据流实时发送到上位机上处理。

所述选择个性化参数模块需要预先安装在上位机，通过对来自工控机的实时脑电信号进行预处理和进一步的分析和分类，给出一个最佳的频率参数传给电刺激板，通过该频率的电刺激以帮助用户获得最佳体验根据实验或者治疗任务的目的。

所述的选择个性化参数模块(基线校准)：在使用本系统之前，需要先明确患者想要治疗的疾病，如癫痫、ADHD、慢性失眠等。患者需要先佩戴电信号采集设备采集脑电信号，用上位机对信号进行分频段计算，计算Delta波(1-3hz)，Theta波(4-8hz)，Alpha波(8-13hz)，Beta波(14-30hz)频段的平均分量进行计算，每15秒钟更新一次脑电波的强度均值与方差，根据患者想要治疗的疾病，对应不同的频段的计算结果，并对治疗前后的计算结果进行比对。针对不同的患者做出不同的刺激方案(刺激参数)，系统将根据自己学习到的患者的脑电参数，匹配到最合适的刺激频率、幅值、相位。例如：当患者的阿尔法波的平均值高于正常水平，那么经过基线校准阶段，便可以得到对于该患者的个性化的刺激参数：使用阿尔法波、反相位刺激(正相位加强、反相位抑制)，即可抵消高于正常水平的量。

所述的选择个性化参数模块以软件形式内嵌于上位机软件之中，包括以下功能：

S1、定义目标函数：将tACS刺激参数空间中的每一组参数映射到一个目标函数，该函数度量刺激对于个体的效果。目标函数可以包括大脑活动的特定指标、行为效果、主观反馈等。

S2、选择先验模型：选择适当的先验模型，通常使用高斯过程(Gaussian Process)来建模目标函数的不确定性。这可以是贝叶斯优化中的一种先验知识。

S3、确定参数空间：定义tACS刺激参数的搜索空间，包括刺激强度、频率、持续时间等。确保参数空间覆盖潜在的有效配置。

S4、采样点并评估目标函数：使用贝叶斯优化算法在参数空间中选择新的样本点，并在实际实验或仿真中评估目标函数。每次评估都会提供新的观测结果，用于更新模型。

S5、更新模型：使用新的观测结果更新高斯过程模型，以更准确地表示目标函数，并提供下一个最有希望的采样点。

S6、迭代：重复上述过程，直到贝叶斯优化算法收敛到一个认为是全局最优或局部最优的参数配置。

S7、验证和调整：最后，验证在找到的最优参数配置下的效果，并根据实际效果调整或优化参数搜索过程。

最后仪器根据结果，给出一个最佳的频率参数传给工控机，控制电刺激模块，通过该频率的电刺激以帮助用户获得最佳体验根据实验或者治疗任务的目的。

选择个性化参数模块的具体实现：

S10、将接收到的来自工控机的数字信号进行进一步预处理；

S12、利用选择个性化参数方法对经过进一步预处理的数据进行模式识别，得到选择个性化参数判断结果；

S14、根据实验或者治疗任务的目的，利用得到的选择个性化参数判断结果来自适应设置合适的电刺激参数。

所述电刺激参数设置模块需要预先安装在上位机，将上述数据流在传入选择个性化参数模块后得到的分类结果传到电刺激参数设置模块，将根据不同的分类结果设置合适的电刺激参数。

所述通信模块需要预先安装在上位机和工控机，在自动设置好参数之后，上位机通过通信模块将电刺激参数和开始刺激的指令传给工控机。

所述的调整相位模块工作过程如下：

S22、先搭建一个测试系统(如图2)来计算该自动电刺激系统的延迟时间，记为t(f)，该时间是一个随频率变化的函数，具体过程如下：

用一个信号发生器模拟该脑电输入信号，本测试系统的主程序在工控机上运行，工控机控制脑电放大器的第一导来采集该输入信号，根据原先编好的程序对该采集到的信号进行判断，当满足我们在程序中设定的判断条件后立即触发电刺激，同时将该电刺激信号传入脑电放大器的第二导，该脑电放大器的采样频率是1000hz，只需要对第二导的信号进行分析计算，计算出第一个采集点与第一个电刺激点之间的距离(一个点代表1ms)，即可得到整个系统的电刺激延迟时间，经过实际测量可知，该系统的电刺激延迟时间与tACS电刺激的刺激频率有关，因此需要测量在每个频率下的系统延迟时间，如使用频段是1-45hz，则需计算1.0-45.0hz的系统延迟(步长0.1hz)，后续根据实际使用场景可以拓展，根据测量的结果制作系统延迟记录表，该表供后续相位调整模块使用；

S24、将电刺激波形向后延迟delay time＝3/4T-t(f)，即可达到电刺激波形与脑电波形相位同步，其中：T为电刺激波形的周期，T＝1/f，如图4所示，图4只提供一个示例，表示为达到同相位电刺激情况下的操作，在实际使用中也可以根据实际使用需求调整delaytime以达到不同相位(0°、90°、180°等等)的目的。

所述电刺激模块需要预先安装在使用者的头皮的合适位置处，当接收到来自工控机的电刺激指令和电刺激参数并延迟一段时间(调整相位模块提供)后进行刺激。

该基于实时脑电信号的可调相位的自动电刺激系统的工作原理如下：

用户首先正确佩戴脑电信号采集设备，工控机发出指令控制脑电信号采集设备的采集以及脑电放大器对采集信号的放大、降噪、滤波并以数字信号形式进行输出，脑电信号采集设备会自动检测一段时间内的用户脑电信号情况，然后将该信号作为数据输入，工控机通过通信模块将经过处理的数字信号通过TCP/IP协议发送到上位机的选择个性化参数模块，选择个性化参数模块做出判断结果，预测出体验感最佳的脑电信号频段。最后上位机根据结果，给出一个最佳的频率参数传给电刺激参数设置模块，电刺激参数设置模块根据不同的分类结果设置合适的电刺激参数，在自动设置好参数之后，上位机通过通信模块将电刺激参数和开始刺激的指令传给工控机，工控机发出电刺激指令和电刺激参数至电刺激模块，电刺激模块在调整相位模块的作用下延迟一段时间后进行刺激，通过该频率的电刺激以帮助用户获得最佳体验根据实验或者治疗任务的目的。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。