CN108653917A - 基于神经电刺激的生物感知能力增强系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，包括电源模块、外部信息检测模块、A/D转换模块、微控制器、多通道微电流神经信号刺激模块；电源管理模块被配置为给其它模块提供正常的工作电压；外部信息检测模块被配置为检测设定的外部信息，并通过转换电路将检测到的外部信息转换为不同强度电压值送入A/D转换模块中；A/D转换模块被配置为将模拟的电压信号转换为数字量信号送到所述微控制器中；微控制器被配置为接收A/D转换模块输入的数字量信号，然后转换为不同强度值的刺激指令送入多通道微电流神经信号刺激模块中。本发明优点在于为有感知缺陷的人或动物进行感知重建甚至为其建立一种全新的感知能力提供了一种新的手段。

Description

基于神经电刺激的生物感知能力增强系统

技术领域

本发明涉及神经生物学、智能控制科学、脑科学、电子技术等领域，尤其是涉及用于人或动物感知能力增强或修复的神经调控系统。

背景技术

触觉、视觉、听觉、味觉、嗅觉、痛、痒等都是感觉,是大脑对感觉细胞输入神经信号加工的产物。生物对外部世界这些信息的接收,最初只是通过受体在人或动物体内产生程序性的反应。但是这些感觉细胞一旦受到损伤，或者是神经通路受到阻碍，大脑就很难产生相应的感觉，而这些受到损伤的组织很难通过医学手段进行修复，因此人或动物也就失去了感知该信息的能力。

另外，在一些特殊的情况下，我们可能希望让人或动物拥有其本身不具有的感知能力，对于人来说可以扩展对外部世界的感知范围，对于动物来说，可以用于研究具有特定感知能力的动物机器人，用其来完成一些特殊环境下人类所不方便完成的任务。动物机器人具有机动灵活、能源自给、稳定性好、具有适应特定环境的运动能力等优点，当前国内外对此领域都有比较广泛的研究，但目前对动物机器人的研究大都局限于利用实验动物本身的特性，比如在研究鸽子机器人的时候大都会利用其远程归巢能力，研究犬类机器人的时候大都会利用其嗅觉，然而目前国内外的研究很少对动物本身不具有的感知能力进行拓展研究。

通过对人或动物的感知神经区域进行微电流刺激以影响生物本身的感知能力，可以更加全面的研究生物感知功能的神经工作机理，有利于进一步深入阐明生物感知神经系统的可塑性机制，用于人体感知功能的修复、增强和扩展，提升人的生活质量。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，一方面为感知功能受到损伤的生物（人或动物）提供一种感知能力修复的手段，可以让受试生物（人或动物）重新获取到受损的感知能力；另一方面提出一种为生物（人或动物）建立一种全新的感知能力的方法，使受试生物（人或动物）可以感受到之前不能感受到的外部信息；同时，本发明也为有感知障碍的人群提供了科学的治疗思路。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，包括电源模块、外部信息检测模块、A/D转换模块、微控制器、多通道微电流神经信号刺激模块；

所述电源管理模块，包括稳压电路、升压电路，被配置为给其它模块提供正常的工作电压；

所述外部信息检测模块，包括设定的外部信息检测传感器及转换电路，被配置为检测设定的外部信息，并通过所述转换电路将检测到的外部信息转换为不同强度的电压值，送入所述A/D转换模块中；

A/D转换模块，采用12位逐次逼近型模拟数字转换器，被配置为将模拟的电压信号转换为数字量信号，送到所述微控制器中；

微控制器，被配置为接收A/D转换模块输入的数字量信号，然后根据其大小转换为不同强度值的刺激指令，之后将该刺激指令通过UART送入所述多通道微电流神经信号刺激模块中；所述数字信号量与所述刺激指令的转换模型需提前根据不同需求建立，一般选择正相关的线性模型，然后将其对应关系写入微控制器中。

所述微控制器采用STM32F103RCT6为核心处理器，其本身集成有12位逐次逼近型模拟数字转换器，用于完成A/D转换模块和微控制器自身功能的实现。

所述多通道微电流神经信号刺激模块，被配置为包括升压电路、模拟多路开关、串口接收电路，采用C8051F411为核心处理器；多通道微电流神经信号刺激模块通过串口接收所述微控制器传入的刺激指令，然后根据所述刺激指令控制多路模拟开关的相应通道并输出对应强度的双相脉冲微电流刺激信号，作用于受试对象的相关神经脑区，以实现将外部信息与所述相关神经脑区的刺激强度结合起来，使受试对象感受到外部设定信息的变化。

所述双相脉冲微电流刺激信号的参数调控范围为：1~4个独立的刺激通道；脉冲占空比1%~50%；刺激强度0~1.5mA；脉冲频率25Hz~10000Hz；脉冲串数0~255个，单个脉冲串包含的脉冲个数为0~255个；每个脉冲串间隔100ms~25s。

本发明优点在于将外部传感器检测到的信息通过预设的转换模型转换为刺激信息，通过多通道微电流神经信号刺激模块输出双相脉冲微电流刺激信号，施加于受试生物（人或动物）的相关神经区域，以达到使生物（人或动物）感受到该外部特定信息，无论该生物（人或动物）原本是否能够感受到该特定信息。实现了受试对象与外部环境比较好的信息交互，为有感知缺陷的人或动物进行感知重建甚至为其建立一种全新的感知能力提供了一种新的手段。同时，本发明电路结构简单，使用操作方便，能快速且准确的将外部信息转换为相应的刺激信号输出。且本发明输入接口通用，根据不同的研究需求换用不同的外部信息检测传感器（如红外传感器，温度传感器，距离传感器等）即可。

附图说明

图1是本发明所述系统的结构框图。

图2是本发明所述系统的供电框图。

图3是本发明所述系统的程序设计流程框图。

图4是本发明以给受试鸽子增加红外感知为例设计的验证实验场景示意图。

图5是本发明以给受试鸽子增加红外感知为例设计的程序流程框图。

具体实施方式

本发明所述基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，如图1-3所示，包括电源模块、外部信息检测模块、A/D转换模块、微控制器、多通道微电流神经信号刺激模块。

电源管理模块，包括稳压电路、升压电路，被配置为给外部信息检测模块、A/D转换模块、微控制器、多通道微电流神经信号刺激模块提供正常的工作电压。

外部信息检测模块，包括设定的外部信息检测传感器及转换电路，被配置为检测设定的外部信息，并通过转换电路将检测到的外部信息转换为不同强度的电压值，送入所述A/D转换模块中。

A/D转换模块，采用12位逐次逼近型模拟数字转换器，被配置为将模拟的电压信号转换为数字量信号，送到所述微控制器中。

微控制器，被配置为接收A/D转换模块输入的数字量信号，然后根据数字量信号大小转换为不同强度值的刺激指令，之后将该刺激指令通过UART送入多通道微电流神经信号刺激模块中；数字信号量与刺激指令的转换模型需提前根据不同需求建立，一般选择正相关的线性模型，然后将其对应关系写入微控制器中。

微控制器采用STM32F103RCT6为核心处理器，其本身集成有12位逐次逼近型模拟数字转换器，用于完成A/D转换模块和微控制器自身功能的实现。

多通道微电流神经信号刺激模块，被配置为包括升压电路、模拟多路开关、串口接收电路，采用C8051F411为核心处理器；多通道微电流神经信号刺激模块通过串口接收所述微控制器传入的刺激指令，然后根据该刺激指令控制多路模拟开关的相应通道并输出对应强度的双相脉冲微电流刺激信号，作用于受试对象的相关神经脑区，以实现将外部信息与所述相关神经脑区的刺激强度结合起来，使受试对象感受到外部设定信息的变化。

双相脉冲微电流刺激信号的参数调控范围为：1~4个独立的刺激通道；脉冲占空比1%~50%；刺激强度0~1.5mA；脉冲频率25Hz~10000Hz；脉冲串数0~255个，单个脉冲串包含的脉冲个数为0~255个；每个脉冲串间隔100ms~25s。

本发明所述的系统运行流程如下：

1）对于不同的受试对象（人或动物）采用不同的刺激强度与受试信息的对应关系，设置完成后系统上电初始化；

2）外部信息检测模块以较高的频率不间断检测受试信息，并通过转换电路将该信息转换为电压值，送入A/D转换模块；

3）A/D转换模块采用12位逐次逼近型模拟数字转换器，为了更加动态高效的将外部信息传递给受试对象（人或动物）相应脑区，设置采样时间7微秒，然后A/D转换器将转换所得数字量信息送入微控制器；

4）为了减少不稳定因素，微控制器设置为连续接收十次信息，并求取其平均值，然后根据预先建立的转换模型将该信息转换为相应的刺激指令，并通过串口发送到多通道微电流神经信号刺激模块；

5）多通道微电流神经信号刺激模块通过串口接收刺激指令，并根据指令在指定的通道产生对应的双相脉冲微电流刺激信号。

如图4、5所示，本发明现以不能感知到波长为940nm红外光的鸽子为受试生物，为该受试鸽子1建立红外感知能力为例进行描述：

1）选取健康成年鸽子，并对其脑区植入刺激电极；

2）外部信息检测模块采用型号SD5443的光敏三极管，它由NPN硅光电晶体管组成，被安装在TO-46金属壳封装件内，具有18度接收角，光谱响应范围集中在波长为700-1000nm之间，波长900nm左右为最佳；

3）为了尽量减小装置体积，选用本身集成有12位逐次逼近型A/D转换器的stm32f103rct6作为主控芯片；

4）SD5443光电晶体管（18 °半感光角度）的光谱响应是一个范围值，因此为了减小其它色光的影响，在系统程序设计时设置一个阈值，将其检测到的数值比对，然后根据情况执行不同的子程序；

5）为了减少不稳定因素，更加动态高效的将外部信息传递给受试鸽子1相应神经核团，系统设计为每7us采样一次，采样十次求其平均值，然后再对其进行后续处理；

6）建立外部信息与刺激指令转换的模型，经过前期实验，本次系统设计采用正相关线性化模型，与红外光源2越近刺激强度越大，反之，刺激强度越小；

7）多通道微电流神经信号刺激模块采用C8051F411为控制核心，通过串口接收微处理器发送的刺激指令，然后根据刺激指令控制多路模拟开关的相应通道并输出对应强度的双相脉冲微电流刺激信号，作用于受试鸽子1的相关神经脑区；

8）为了尽量降低受试鸽子1脑部电阻对电流刺激的影响，系统采用恒流升压电路，用LM2731电流模式升压转换器将电压由3V升至15V，然后通过MOSFET管结合单片机的DA转换器和IO引脚，产生指定的电流脉冲串，同时，系统采用双向电流刺激，以使得刺激电流对受试鸽子1脑部刺激的损害降到最低；

9）为了更明显的显示出系统的运行效果，本次实验的刺激位点选在受试鸽子1的运动脑区，以受试鸽子1的转向幅度来判断脉冲电流刺激强度，以验证系统的性能；

10）实验场地为相对狭小的封闭空间3，并在封闭空间3一侧安装波长为940nm的红外光源2，手动操作电源开关4以控制红外光源2的亮、灭，开始实验时红外光源2熄灭；

11）实验范式为利用在运动脑区植入刺激电极的受试鸽子1，将上述刺激设备5安装在受试鸽子1头部，并将红外检测装置的高度和红外光源2的高度大致相同，红外接收头的方向和受试鸽子喙的方向相同，用绳子将刺激设备5固定好之后，将受试鸽子1放入装有红外光源2的封闭空间3内，并将摄像头对准实验环境，从监控中观察受试鸽子1头部朝向，当受试鸽子1头部朝向红外光源2的时候，手动开启红外光源2，当观察到受试鸽子1头部发生转向行为时，关闭红外光源2，等待下一次受试鸽子1头部朝向红外光源2时，再次手动开启红外光源2重复上述过程。

结论：

通过多次实验发现，在距离红外光源2越近的地方，受试鸽子1的转向幅度越大，在距离红外光源2越远的地方，受试鸽子1的转向幅度越小。此结果表明本发明可以将外部信息较好的传递给生物（人或动物）的相应神经核团，达到了预期控制效果。

Claims (4)

1.一种基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，包括电源模块、外部信息检测模块、A/D转换模块、微控制器、多通道微电流神经信号刺激模块，其特征在于：

所述电源管理模块，包括稳压电路、升压电路，被配置为给其它模块提供正常的工作电压；

所述外部信息检测模块，包括设定的外部信息检测传感器及转换电路，被配置为检测设定的外部信息，并通过所述转换电路将检测到的外部信息转换为不同强度的电压值，送入所述A/D转换模块中；

A/D转换模块，采用12位逐次逼近型模拟数字转换器，被配置为将模拟的电压信号转换为数字量信号，送到所述微控制器中；

微控制器，被配置为接收A/D转换模块输入的数字量信号，然后根据其大小转换为不同强度值的刺激指令，之后将该刺激指令通过UART送入所述多通道微电流神经信号刺激模块中。

2.根据权利要求1所述基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，其特征在于：所述微控制器采用STM32F103RCT6为核心处理器，其本身集成有12位逐次逼近型模拟数字转换器，用于完成A/D转换模块和微控制器自身功能的实现。

3.根据权利要求1所述基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，其特征在于：所述微电流神经信号刺激模块，被配置为包括升压电路、模拟多路开关、串口接收电路，采用C8051F411为核心处理器；多通道微电流神经信号刺激模块通过串口接收所述微控制器传入的刺激指令，然后根据所述刺激指令控制多路模拟开关的相应通道并输出对应强度的双相脉冲微电流刺激信号，作用于受试对象的相关神经脑区，以实现将外部信息与所述相关神经脑区的刺激强度结合起来，使受试对象感受到外部设定信息的变化。

4.根据权利要求3所述基于神经电刺激的生物感知能力增强系统，其特征在于：所述双相脉冲微电流刺激信号的参数调控范围为：1~4个独立的刺激通道；脉冲占空比1%~50%；刺激强度0~1.5mA；脉冲频率25Hz~10000Hz；脉冲串数0~255个，单个脉冲串包含的脉冲个数为0~255个；每个脉冲串间隔100ms~25s。