CN107596556B - 一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，该系统包括智能手机和神经刺激器；其中，神经刺激器包括电源管理模块、蓝牙模块、缓冲模块、MCU模块、极性转换模块、恒流输出模块、电压检测模块以及输出电极，所述神经刺激器采用外部电源供电，由智能手机安装专用的软件APP通过蓝牙模块进行实时监控。神经刺激器通过基频检测、音量提取等算法，实时提取出不同音乐的音调和音量，经过调制得到不同的刺激参数，控制相应模块发出刺激电流脉冲对迷走神经进行刺激，实现刺激波形与音乐的同步，达到预期的效果。本发明易于携带，功能强大，为经皮迷走神经刺激的研究提供重要支持。

Description

一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统

技术领域

本发明涉及嵌入式和医疗电子设备应用技术领域，更具体的，本发明主要涉及一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，适用于医学临床设备实验。

背景技术

迷走神经为第10对脑神经，是脑神经中最长，分布最广的一对，含有感觉、运动和副交感神经纤维。它的传入信号直接或通过孤束核上传至网状结构系统后，弥散投射至大脑皮质以及下丘核、杏仁核、海马复合体等脑区结构。

目前，市场上相关的经皮迷走神经刺激设备的体积通常都比较大，携带式的电刺激设备携带方便，若设备体积较小，刺激器的功能又受到了很大的限制。现有的神经刺激系统基本上都是实现有限的几种刺激波形，刺激模式单一，使用过程中神经容易产生适应性和耐受性，实践效果不理想。目前存在一种产生新型刺激波形的迷走神经刺激系统，在迷走神经刺激系统传统波形基础上，加入音乐节奏提取系统以增加音乐调制功能，产生个性化定制刺激波形，以提高刺激效果，但是存在体积较大、成本较高和功能不够完善等缺点。

为此本发明提出一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，采用嵌入式技术以智能手机APP作为控制终端，通过蓝牙无线通信技术实时控制实验过程。同时采用移动电源为神经刺激器供电，采用音频提取算法实时调制播放的音乐，实现刺激波形的不断变化，以提高和丰富神经刺激的效果和模式，具有功能强大、体积小、成本低和实时性好等特点。

发明内容

本发明目的在于，提供一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，旨在解决迷走神经在刺激过程中，经皮迷走神经刺激系统刺激波形参数单一，体积大，不易携带，成本高等问题，提供脉冲幅度、频率、刺激时间与音乐的快慢强弱实时同步变化的电流刺激脉冲波形。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，智能手机端播放音乐，神经刺激器通过蓝牙实时接收音乐，通过软件算法解码，提取音乐的音调和音量，然后将音调和音量按照一定比例转换为刺激的频率和刺激强度进行输出，从而实现刺激波形与音乐的同步，从而提高刺激系统的输出效果；

该经皮迷走神经刺激系统包括智能手机和神经刺激器；

其中，智能手机上安装专用的软件APP，该专用的软件APP作为控制终端，实现播放音乐、监控刺激过程等功能，同时可以为神经刺激器供电；神经刺激器包括电源管理模块、蓝牙模块、缓冲模块、MCU模块、极性转换模块、恒流输出模块、人体电压检测模块以及输出电极。下面对神经刺激器各个模块进行说明。

电源管理模块通过USB接口从智能手机端引入电源，实现外部电源对神经刺激器的供电；电源管理模块包括稳压电路和升压电路，电源管理模块分别与蓝牙模块、MCU模块、极性转换模块、恒流输出模块、电压检测模块连接，电源管理模块为各个模块提供适应的工作电压。蓝牙模块与缓冲模块、MCU模块相连，用于实现MCU模块与智能手机进行通信交互，MCU模块实时接收智能手机端传输过来的指令数据；缓冲模块实现音频信号的放大、整流和去噪；A/D模块作为MCU模块的模拟外设，采集缓冲模块输出的音频信号，用于将缓冲模块输出的模拟信号转换为数字信号；MCU模块为整个神经刺激器的控制模块，MCU模块将A/D模块采集的音频信号进行处理，采用软件提取算法提取能反映音频信号频率和幅度的音调和音量，根据音量和音调的大小决定刺激电流强度和刺激频率，实时控制双极性转换模块和恒流输出模块发出与音乐变化相对应的刺激电流脉冲进行治疗，保证刺激波形随音乐实时同步变化；极性转换模块与输出电极相连，采用脉冲宽度调制技术实现不同周期和脉宽的脉冲的正负极性转换；恒流输出模块采用MCU模块的模拟外设D/A模块控制刺激大小强度，实现刺激电流的恒定输出；电压检测模块与输出电极相连，实时监测负载两端的刺激电压强度的大小，电压检测模块监测到的输出电极的电压强度大小，通过MCU模块中的电压比较器模块进行采集比较，传送给MCU模块进行判断处理，在刺激电压异常的情况下终止输出，以保证安全。

对于音频信号的音调和音量的提取问题，本发明采取的技术方案是：

采用简单、计算量小的自相关基频检测算法(ACF)，直接对时域信号采样值求自相关函数，计算出音频信号的基频，从而求出音调周期；在几个音频信号周期内，比较采样信号的幅值大小，通过求平均值求出音频信号的音量大小；然后，将几个周期内的音频信号的音调和音量通过一定比例转换成相应的刺激参数，进行刺激。

智能手机端下载安装专用的APP，选择不同的音乐进行播放，然后通过蓝牙将数据传送至神经刺激器进行处理。同时APP作为控制终端，通过蓝牙模块与MCU进行通信，控制音乐刺激的过程。每次刺激完成后，MCU模块将对应歌曲的刺激参数的数据传输至APP端进行显示，同时存储至MUC模块的FLASH模块中，下一次使用时继续采用上次的刺激参数。

通过上述模块，不仅可以实现外部电源对神经刺激器的供电，还可以实现刺激波形随音乐实时同步变化，通过刺激波形的不断变化以提高刺激效果。

刺激参数包括开通时间、关断时间、斜坡时间、脉冲宽度、脉冲频率、步进值、刺激电流强度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

采用软件算法提取不同风格的音乐的音调和音量，通过调制实时得到相应的刺激参数，从而实现音乐与刺激波形的同步，丰富了刺激波形的多样性提高刺激的效果；同时，可以扩展音乐播放等功能，通过音响设备外放音乐，边刺激边听歌，促进刺激的效果；采用智能手机软件APP作为系统的控制终端，以及外部电源供电，人机交互友好，体积小，节省了硬件资源，有效降低开发成本，功能强大，方便使用者根据舒适度确定最佳刺激方案，满足经皮迷走神经刺激的需求。

附图说明

图1本发明整体结构图。

图2本发明的极性转换模块电路图。

图3本发明的恒流输出模块电路图。

图4传统脉冲单元示意图。

图5音乐调制脉冲示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明：

如图1所示，为一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统的结构，包括智能手机和神经刺激器；其中，智能手机端安装专用的软件APP，用于实现刺激过程的实时监控，可以播放不同的音乐，实时监控刺激过程；

神经刺激器包括电源管理模块、蓝牙模块、缓冲模块、MCU模块、极性转换模块、恒流输出模块、电压检测模块以及输出电极。电源管理模块通过USB接口引入外部电源，实现外部电源对神经刺激器的供电，这里采用智能手机对神经刺激器进行供电；电源管理模块包括稳压电路和升压电路，为蓝牙模块、缓冲模块、MCU模块提供合适的工作电压。蓝牙模块与缓冲模块、MCU模块相连，用于智能手机与神经刺激器之间的通信，实时接收智能手机端传输过来的音乐和指令；缓冲模块接收蓝牙模块输出的音频信号，实现音频信号的放大，整流和去噪；A/D模块作为MCU模块的模拟外设，具有10位精度，采集缓冲模块输出的音频信号，用于将缓冲模块输出的模拟信号转换为数字信号；MCU模块为整个神经刺激器的控制模块，将A/D模块采集的音频信号进行处理，采用软件算法提取能反映音频信号频率和幅度的音调和音量，根据音量和音调的大小决定刺激电流强度和频率，实时控制双极性转换模块和恒流输出模块发出与音乐变化相对应的刺激电流脉冲进行刺激，保证刺激波形随音乐实时同步变化；极性转换模块与输出电极、恒流输出模块相连，采用脉冲宽度调制技术实现不同周期和脉宽的脉冲的正负极性转换；恒流输出模块采用MCU模块的模拟外设D/A模块控制刺激大小强度，实现刺激电流的恒定输出；电压检测模块与输出电极相连，可以实时监测负载两端的刺激电压强度的大小，电压检测模块监测到的输出电极的电压强度大小，通过MCU模块中的电压比较器模块进行采集比较，传送给MCU模块进行判断处理，在刺激电压异常的情况下终止刺激，以保证使用者的安全。

图2所示的是极性转换模块的电路图，它采用H桥电路，由MCU模块输出两路频率、占空比可调的PWM波信号通过H桥电路控制正负极性的转换，从而保证刺激脉冲波形正负相间，避免因电刺激产生极化现象，从而达到最佳刺激效果；该模块主要由电阻、光电耦合器、三极管组成，其中，VCC与电源升压模块的输出连接，满足刺激电流对电压的需求，输出端Vout与输出电极连接；四个三极管B2、B3、B4和B5构成一个H桥电路，U2与U6为双路光耦，具有信号隔离作用，防止高压损坏MCU模块，电阻R2、R3、R5、R6具有降压的作用，以使光耦正常工作；更具体的，当PWM1为高电平，PWM2为低电平时，B3、B4导通，B2、B5截止，刺激电流流向如下：VCC→B3→Vout→B4→Iout；当PWM1为低电平，PWM2为高电平时，B3、B4截止，B2、B5导通，流向为：VCC→B2→Vout→B5→Iout；

图3所示的是恒流输出模块的电路图，此电路为恒流源电路，通过10位精度的D/A转换器，实时精确地控制输出电流Iout的大小和步进值，采用负反馈的运放电路精确地输出刺激电流，保证经过负载的刺激电流强度不随负载的大小而变化；图3与图2通过Iout相连，组成双极性恒流输出模块，产生需要的波形；

采用简单、计算量小的自相关基频检测算法(ACF)，直接对时域信号采样值求自相关函数，自相关函数在基音周期处表现为峰值，相邻两个峰值之间的间隔即为一个基音周期，计算出音频信号的基频，从而求出音调的频率；在几个音频信号周期内，比较采样信号的幅值大小，通过求平均值的方法求出音频信号的音量大小；然后，将音频信号的音调和音量通过一定比例转换成相应的刺激参数，进行刺激。算法包括信号测频、幅度提取。转换过程具体是指将声音领域的特征参数按比例转换成神经刺激领域的参数，刺激频率和脉宽与实时提取出的音调成比例关系，刺激电流强度与音量的大小成一定比例，刺激时间与音乐的播放时间相关，斜坡时间由刺激电流强度和脉冲频率共同决定。

每次刺激完成以后，MCU模块将对应歌曲的刺激参数的数据传输至APP端进行显示，同时存储至MUC模块的FLASH中，下一次上电使用时可以继续进行刺激。

图4为传统的脉冲波形示意图，其最小脉冲波形参数为：输出电流为0.5～12mA；开通时间为1～100s，脉宽为100～1000us，关断时间为0～100s，输出电流的大小由音乐的音量控制，刺激波形的周期和频率由音乐的音调控制；电流斜坡时间由刺激电流强度和频率共同控制，刺激电流强度步进值为0.1mA。

图5为音乐实时调制的脉冲波形示意图，刺激脉冲波形的各个参数实时变化，实现了与音乐的同步，避免了单一的刺激模式，有利于提高刺激的效果。

Claims (4)

1.一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，智能手机端播放音乐，神经刺激器通过蓝牙实时接收音乐，通过软件算法解码，提取音乐的音调和音量，然后将音调和音量按照一定比例转换为刺激的频率和刺激强度进行输出，从而实现刺激波形与音乐的同步，从而提高刺激系统的输出效果；

其特征在于：该经皮迷走神经刺激系统包括智能手机和神经刺激器；

智能手机上安装专用的软件APP，该专用的软件APP作为控制终端，实现播放音乐、监控刺激过程功能，同时可以为神经刺激器供电；神经刺激器包括电源管理模块、蓝牙模块、缓冲模块、MCU模块、极性转换模块、恒流输出模块、人体电压检测模块以及输出电极；下面对神经刺激器各个模块进行说明；

电源管理模块通过USB接口从智能手机端引入电源，实现外部电源对神经刺激器的供电；电源管理模块包括稳压电路和升压电路，电源管理模块分别与蓝牙模块、MCU模块、极性转换模块、恒流输出模块、电压检测模块连接，电源管理模块为各个模块提供适应的工作电压；蓝牙模块与缓冲模块、MCU模块相连，用于实现MCU模块与智能手机进行通信交互，MCU模块实时接收智能手机端传输过来的指令数据；缓冲模块实现音频信号的放大、整流和去噪；A/D模块作为MCU模块的模拟外设，采集缓冲模块输出的音频信号，用于将缓冲模块输出的模拟信号转换为数字信号；MCU模块为整个神经刺激器的控制模块，MCU模块将A/D模块采集的音频信号进行处理，采用软件提取算法提取能反映音频信号频率和幅度的音调和音量，根据音量和音调的大小决定刺激电流强度和刺激频率，实时控制双极性转换模块和恒流输出模块发出与音乐变化相对应的刺激电流脉冲进行治疗，保证刺激波形随音乐实时同步变化；极性转换模块与输出电极相连，采用脉冲宽度调制技术实现不同周期和脉宽的脉冲的正负极性转换；恒流输出模块采用MCU模块的模拟外设D/A模块控制刺激大小强度，实现刺激电流的恒定输出；电压检测模块与输出电极相连，实时监测负载两端的刺激电压强度的大小，电压检测模块监测到的输出电极的电压强度大小，通过MCU模块中的电压比较器模块进行采集比较，传送给MCU模块进行判断处理，在刺激电压异常的情况下终止输出，以保证安全；

采用自相关基频检测算法ACF，直接对时域信号采样值求自相关函数，计算出音频信号的基频，从而求出音调周期；在几个音频信号周期内，比较采样信号的幅值大小，通过求平均值求出音频信号的音量大小；然后，将几个周期内的音频信号的音调和音量通过一定比例转换成相应的刺激参数，进行刺激；

智能手机端下载安装专用的APP，选择不同的音乐进行播放，然后通过蓝牙将数据传送至神经刺激器进行处理；同时APP作为控制终端，通过蓝牙模块与MCU进行通信，控制音乐刺激的过程；每次刺激完成后，MCU模块将对应歌曲的刺激参数的数据传输至APP端进行显示，同时存储至MUC模块的FLASH模块中，下一次使用时继续采用上次的刺激参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，其特征在于：刺激参数包括开通时间、关断时间、斜坡时间、脉冲宽度、脉冲频率、步进值、刺激电流强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，其特征在于：极性转换模块的电路采用H桥电路，由MCU模块输出两路频率、占空比可调的PWM波信号通过H桥电路控制正负极性的转换，从而保证刺激脉冲波形正负相间，避免因电刺激产生极化现象，从而达到最佳刺激效果；该模块主要由电阻、光电耦合器、三极管组成，其中，VCC与电源升压模块的输出连接，满足刺激电流对电压的需求，输出端Vout与输出电极连接；四个三极管B2、B3、B4和B5构成一个H桥电路，U2与U6为双路光耦，具有信号隔离作用，防止高压损坏MCU模块，电阻R2、R3、R5、R6具有降压的作用，以使光耦正常工作；更具体的，当PWM1为高电平，PWM2为低电平时，B3、B4导通，B2、B5截止，刺激电流流向如下：VCC→B3→Vout→B4→Iout；当PWM1为低电平，PWM2为高电平时，B3、B4截止，B2、B5导通，流向为：VCC→B2→Vout→B5→Iout。

4.根据权利要求1所述的一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统，其特征在于：采用自相关基频检测算法(ACF)，直接对时域信号采样值求自相关函数，自相关函数在基音周期处表现为峰值，相邻两个峰值之间的间隔即为一个基音周期，计算出音频信号的基频，从而求出音调的频率；在几个音频信号周期内，比较采样信号的幅值大小，通过求平均值的方法求出音频信号的音量大小；然后，将音频信号的音调和音量通过一定比例转换成相应的刺激参数，进行刺激；算法包括信号测频、幅度提取；转换过程具体是指将声音领域的特征参数按比例转换成神经刺激领域的参数，刺激频率和脉宽与实时提取出的音调成比例关系，刺激电流强度与音量的大小成一定比例，刺激时间与音乐的播放时间相关，斜坡时间由刺激电流强度和脉冲频率共同决定；

每次刺激完成以后，MCU模块将对应歌曲的刺激参数的数据传输至APP端进行显示，同时存储至MUC模块的FLASH中，下一次上电使用时可以继续进行刺激。

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