CN106725483A - 基于功能磁共振降低吸烟渴求的神经信号反馈方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于功能磁共振降低吸烟渴求的神经信号反馈方法和系统，该神经信号反馈方法包括：对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行实时采集的采集步骤；对采集的神经活动信号进行实时分析，以识别吸烟渴求信号、自我控制信号及其强弱的处理步骤；以及将自我控制信号、吸烟渴求信号及其强弱配置为可视化对抗游戏中对抗双方的动态对抗进程的训练反馈步骤。本发明通过神经信号反馈，帮助吸烟渴求者对于相关脑区的感知和控制，进而达到增强吸烟者自控能力、降低渴求，达到辅助戒烟的目的。

Description

基于功能磁共振降低吸烟渴求的神经信号反馈方法和系统
技术领域
本发明涉及一种基于功能磁共振的降低吸烟渴求的神经信号反馈方法和神经信号反馈系统。
背景技术
吸烟成瘾可以导致多种相关疾病的患病率的上升。而我国是全球最大的烟草生产和消费国，烟民比例约占全世界吸烟者总数的三分之一。与其他物质依赖类似，吸烟成瘾的戒断率非常低。有调查显示超过75％的吸烟者曾尝试戒烟，但只有3％的戒烟者能够戒烟成功。对吸烟的强烈渴求是复吸率高的主要原因。所以有效降低吸烟渴求成为成功戒烟关键。
目前降低吸烟渴求的方法主要为外部给予物质，最常见的如中国专利申请92105287.1和201010563074.8中披露的尼古丁贴片、如中国专利申请201330420570.2中披露的电子烟、如中国专利申请03818638.1，201080043603.X，201310393750.5中披露的多种药物制剂等。近期也有人采用特定食物或饮料以降低渴求，其相关内容在中国专利申请200710057194.9和201010116818.1中披露。
这些方法都有一个共同的特点，需要外来物质进入吸烟者体内，即侵入式治疗。对于吸烟这种常见的并非极端严重的成瘾行为，因担心侵入式治疗有副作用，将无法被戒烟者所接受。因此无任何药物摄入的认知疗法更容易被人所接受。
目前也有一些人进行研究和使用认知疗法来帮助戒烟，但由于效果不理想，一般用于药物治疗之外的辅助治疗，其相关内容在中国专利申请200510123267.0和01819228.9中披露。效果显示度差可能是认知疗法效果不理想的主要原因，即戒烟者无法得到及时有效的反馈，从而无法根据效果反馈选择有效的降低渴求的策略。
此外，大部分现有的降低吸烟渴求的方法的作用机理并不清楚，随着神经影像学的发展，越来越多的实验证据表明，特定脑区的活动水平与吸烟渴求水平具有密切关系。如，岛叶被认为涉及“interoception and subjective feeling states”(参考文献3)；前额叶与渴求的自我控制有关(参考文献5)。因此，尝试调节渴求相关脑区的神经活动水平或许有助于调控吸烟渴求。
神经信号实时反馈，即neurofeedback，就是通过某种技术将大脑的活动情况实时的呈现给被试者，从而了解自我控制的实时情况，并且通过这样的训练，提高被试自我控制的能力，从而达到提高某种认知功能或降低某种疾病症状的效果。
现已发现，通过适当的神经信号实时反馈的训练后，正常人可以提高其注意能力，跳舞水平，并且针对某些精神疾病的病人(比如，抑郁症、焦虑症等)可以通过提高其自控能力降低病症，从而达到治疗的效果(见2009年Schneider等人的综述，参考文献1)。现在这种神经信号实时反馈技术已经在逐步的商业化。
神经信号实时反馈是一种非侵入式技术，用于降低戒烟者的渴求不必担心副作用。同时，神经信号实时反馈具有较好的效果显示度，戒烟者可以根据有效的反馈，选择适合自己的有效降低渴求的策略。在神经信号实时反馈技术中，反馈的信号来源是其功能和效果的关键。
在实施本发明的过程中认识到：与吸烟渴求及调控关系最为密切的是两个脑区岛叶和前额叶(见2009年Azizian等人的，参考文献2)。其中岛叶被认为其主要功能为“interoception and subjective feeling states”(参考文献3)。岛叶受到损伤后，吸烟者会丧失吸烟渴求(参考文献4)。而前额叶的主要功能之一为控制，特别是针对渴求的自我控制(参考文献5)。因此，通过神经信号实时反馈技术，提高调控这两个脑区的神经活动的能力，将可以帮助吸烟者提高其渴求的自我控制能力，进而帮助戒烟者降低吸烟渴求。
上述参考文献列举如下:
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发明内容
本发明的目的在于提供一种基于功能磁共振的降低吸烟渴求的神经信号反馈方法和神经信号反馈系统，以辅助吸烟渴求者对于相关脑区的感知和控制。
为此，本发明一方面提供了一种
本发明通过神经信号反馈，帮助吸烟渴求者对于相关脑区的感知和控制，进而达到增强吸烟者自控能力，从而降低渴求，达到辅助戒烟的目的。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法的流程图；
图2是根据本发明另一实施例的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法的流程图；
图3是根据本发明一实施例的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈系统的结构框图；
图4是根据本发明另一实施例的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈系统的结构框图；
图5是根据本发明一实施例的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈系统的处理单元的架构图；
图6是根据本发明一实施例的采用基于功能磁共振的降低吸烟渴求的神经信号实时反馈的具体过程的示意图；
图7是根据本发明一实施例的整个反馈训练过程的示意图；以及
图8是根据本发明一实施例的神经反馈训练的效果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1至图6示出了根据本发明的一些实施例。
如图1所示，用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法包括以下步骤：
采集步骤S11，用于对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行实时采集；
处理步骤S13，用于对采集的神经活动信号进行实时分析，以识别吸烟渴求信号和自我控制信号及其强弱；
输出步骤S15，用于将自我控制信号、吸烟渴求信号及其强弱配置为可视化信号、向吸烟者或相关者展示。
在本发明中，利用两岛叶的神经活动信号识别吸烟渴求信号及其强弱，利用前额叶的神经活动信号识别自动控制信号及其强弱，并将二者配置为可视化信号展示给吸烟者或相关者，从而实现了吸烟渴求者或他人对于吸烟渴求者的相关脑区的真实感知的目的。从采集到可视化反馈的整个时间以不超过2秒为宜。
在步骤S11中，可选地，利用功能磁共振扫描仪实时采集吸烟渴求者的两岛叶和前额叶的神经活动信号。
在步骤S13中，可选地，处理步骤包括：对采集的神经活动信号进行小波分析以提取各特征量；以及利用经过样本训练的人工神经网络模型来识别吸烟渴求信号和自动控制信号：其中，所述特征量作为输入向量，所述吸烟渴求信号和所述自我控制信号作为输出向量。
在步骤S15中，上述吸烟渴求信号、所述自我控制信号及其强弱作为显示屏上的带颜色的指示条展现给吸烟渴求者，例如指示条的长度代表信号强弱，指示条的颜色代表信号类型，即自我控制信号和吸烟渴求信号，当然也可以做成指示灯或者其他的可视化显示方法，以被吸烟渴求者或训练医师的感官得知。
在一实施例中，如图2所示，上述神经信号反馈方法还包括替代输出步骤S15的训练反馈步骤S17，用于在降低吸烟渴求训练中将自我控制信号、吸烟渴求信号及其强弱配置为可视化对抗游戏中对抗双方的动态对抗进程。
可选地，上述游戏为飞船打陨石游戏，对抗双方为飞船和陨石，其中，所述自我控制信号的强弱对应于飞机的陨石破坏力大小，所述吸烟渴求信号的强弱对应于陨石的数量多少。
在本实施例中，利用思维训练步骤，有助于吸烟渴求者实时直观地对于相关脑区的感知和控制，也能够反映出具体地思维训练方法是否有成效，进而为改进思维训练方法提供依据。在其他实施例中，本步骤S17与步骤S15同时并存，一方面为医师提供检测结果，另一方便向吸烟渴求者动态展示。
如图3所示，神经信号反馈系统包括：采集单元10，用于对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行实时采集；处理单元20，用于对所述采集单元采集的神经活动信号进行实时分析，以识别吸烟渴求信号和自我控制信号；以及输出单元30，用于将所述处理单元提供的自我控制信号、吸烟渴求信号的强弱配置为可视化信号。
在一实施例中，神经信号反馈系统包括：采集单元10，用于对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行实时采集；处理单元20，用于对所述采集单元采集的神经活动信号进行实时分析，以识别吸烟渴求信号和自我控制信号；以及训练反馈单元40，用于在降低吸烟渴求训练中将可视化信号实时展现为游戏中对抗双方的动态进程。
在本发明中，采集单元10优选为功能磁共振扫描仪。
在一实施例中，如图5所示，处理单元20包括小波分析模块21，用于对采集的神经活动信号进行小波分析以提取各特征量；以及人工神经网络识别模块22，利用经过样本训练的人工神经网络模型来识别吸烟渴求信号和自动控制信号：其中，所述特征量作为输入向量，所述吸烟渴求信号和所述自我控制信号作为输出向量。
本发明的基于功能磁共振的神经信号反馈方法和系统，在降低吸烟渴求上的应用是生物医学工程类的临床应用。其采用磁共振扫描仪采集来自岛叶和前额叶的信号，并通过游戏的形式实时地反馈给吸烟患者，从而增强吸烟成瘾者对于相关脑区的感知和控制，达到增强吸烟者自控能力，降低渴求，从而辅助戒烟的目的。
利用本发明设备(参见图4)自控训练持续2-10天，每天持续1-5次，每次15分钟左右。初步实验结果证明了该训练技术能增强吸烟者的自控能力。相对于其他戒烟手段，本技术安全、无创、无副作用。
其中，图6介绍了采用基于功能磁共振的降低吸烟渴求的神经信号实时反馈的具体过程。
戒烟者位于功能磁共振仪中，通过主观操控(并非手动操控)完成飞船打陨石游戏，同时扫描戒烟者的大脑，并利用磁共振数据实时采集模块和实时处理模块将戒烟者的岛叶、前额叶或其相关神经网络的神经活动信号转换为游戏操作指令。把有利于降低渴求的神经活动信号转换为飞船打更多的陨石指令，相反的神经活动信号转换为打更少的陨石指令，并在屏幕上显示。
整个过程中只要求戒烟者尝试各种方法努力获得尽可能高的游戏分数(打尽可能多的陨石)。通过这种主观调控(尝试各种策略获取更高的游戏分数)和客观反馈(飞船打陨石成绩)相结合的过程，调控戒烟相关脑区神经活动信号，从而成功降低吸烟渴求。
图7介绍了整个反馈训练的过程。训练可以持续2-10天。每天持续1-5次。每次持续15分钟左右。其中每次训练由4个“休息-提高渴求-休息-降低渴求”的循环过程组成。其中每天的训练开始前，允许吸烟者抽一支烟，以降低渴求程度，进而降低训练难度。此外，在每天训练的开始和结束都要求吸烟者报告吸烟渴求的自我控制能力，以检验训练的效果。
相对于药物疗法，主要优点为无外加药物进入人体，易被戒烟者所接受。相对于传统的认知疗法，主要优点为通过实时反馈信号训练，在其帮助下，戒烟者可以随时得到相关神经信号的变化信息，及时了解控制效果并能相应的改变控制策略，从而提高降低渴求的效果。
图8a-8c介绍了我们尝试将此技术应用到31名吸烟者中。图8a至图8c中，纵坐标是信号(WS-WN)-(SS-SN)，横坐标1和2是在训练阶段1的前后报告，3和4是在训练阶段2的前后报告(WS:watch smoking picture,WN:watch neutral picture；SS:suppress smokingpicture,SN:suppress neutral picture)。结果发现经过2天，每天4次的神经信号反馈训练，在每天训练前后我们都测量了吸烟者自我渴求控制的能力。我们发现经过神经信号实时反馈训练的吸烟者(反馈的信号来源于岛叶或前额叶或相关神经网络)，自我渴求控制能力得到显著的增强(图8a)，而对照组被试(反馈信号来源于无关脑区，即hand group(图8b)，或反馈非神经信号，即visual组)的能力没有显著性的增强(图8c)，这个结果初步说明通过我们设计的神经信号反馈技术可以提高吸烟者自我渴求的控制能力，进而达到降低吸烟渴求的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行实时采集的采集步骤；
对采集的神经活动信号进行实时分析，以识别吸烟渴求信号、自我控制信号及其强弱的处理步骤；以及
将自我控制信号、吸烟渴求信号及其强弱配置为向吸烟者或相关者展示的可视化信号的输出步骤。
2.根据权利要求1所述的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法，其特征在于，所述采集步骤利用功能磁共振扫描仪对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行采集。
3.根据权利要求1所述的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法，其特征在于，所述处理步骤包括：
对采集的神经活动信号进行小波分析以提取各特征量；以及
利用经过样本训练的人工神经网络模型来识别吸烟渴求信号和自动控制信号：其中，所述特征量作为输入向量，所述吸烟渴求信号和所述自我控制信号作为输出向量。
4.根据权利要求1所述的用于降低吸烟渴求的神经信号反馈方法，其特征在于，所述输出步骤由训练反馈步骤代替，所述训练反馈步骤用于将自我控制信号、吸烟渴求信号及其强弱配置为可视化对抗游戏中对抗双方的动态对抗进程。
5.一种用于吸烟渴求的神经信号反馈系统，其特征在于，包括：
采集单元，用于对吸烟者的两岛叶和前额叶的神经活动信号进行实时采集；
处理单元，用于对所述采集单元采集的神经活动信号进行实时分析，以识别吸烟渴求信号和自我控制信号；以及
输出单元，用于将所述处理单元提供的自我控制信号的强弱和吸烟渴求信号的强弱配置为可视化信号。
6.根据权利要求5所述的用于吸烟渴求的神经信号反馈系统，其特征在于，所述采集单元为功能磁共振扫描仪。
7.根据权利要求5所述的用于吸烟渴求的神经信号反馈系统，其特征在于，所述处理单元包括：
小波分析模块，用于对采集的神经活动信号进行小波分析以提取各特征量；以及
人工神经网络识别模块，利用经过样本训练的人工神经网络模型来识别吸烟渴求信号和自动控制信号：其中，所述特征量作为输入向量，所述吸烟渴求信号和所述自我控制信号作为输出向量。
8.根据权利要求5所述的用于吸烟渴求的神经信号反馈系统，其特征在于，还包括：
训练反馈单元，用于自我控制信号、吸烟渴求信号及其强弱配置为可视化对抗游戏中对抗双方的动态对抗进程。
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