CN109603006B - 基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，包括脑电信号采集设备、信号分析处理模块和可控正弦电刺激发生器，脑电信号采集设备通过信号分析处理模块与可控正弦电刺激发生器；信号分析处理模块对脑电信号采集设备发送的若干数据包进行滤波，并对滤波后的信号进行峰值、谷值的判断，若存在峰值或谷值时，判断峰值或谷值的绝对值是否大于阈值，若大于，则信号分析处理模块信号触发可控正弦电刺激发生器输出相位差和幅值可控的数字信号。本发明通过信号分析处理模块并结合脑电信号采集设备和可控正弦电刺激发生器，能够对使用者特定频率段的脑电信号的相位和幅值进行可控，提供相位哈和幅值可控的反馈电刺激。

Description

基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台

技术领域

本发明属于认知神经科学技术领域，涉及到基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台。

背景技术

经颅电刺激(Transcranial Electrical Stimulation，TES)是一种新型的脑部神经刺激技术，具有非侵入式的特点。TES通过一对或多对电极将特定幅值和波形的微弱电流(通常不超过-2mA～2mA)作用于特定脑部区域，从而调节大脑的神经活动的兴奋性，以达到调节行为活动的目的。这项技术根据刺激的电流性质不同，主要包括两种刺激方式：经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)和经颅交流电刺激(Transcranial Alternating Current Stimulation，tACS)(关龙舟等.,2015)。同时有研究证明，经颅电刺激技术能够提高某些任务下的认知能力，如增强注意力、记忆力、协调能力和运动能力，同时应用经颅电刺激技术到治疗抑郁等心理精神疾病也已经取得了很多成果。最初这项技术用于帮助脑损伤病人。18世纪，随着电生理学的出现，已经出现了最早直流电刺激的雏形(Priori,2003)。从20世纪中期开始，电刺激开始广泛运用到神经刺激技术中。近年来，随着相关技术手段的不断完善，经颅电刺激设备设计制造水平的不断提高和人们对神经刺激技术的重视，这项技术又得到了不断地提高，同时在原有刺激技术的基础上，发展起了经颅深部电刺激，高精度经颅直流电刺激等新技术。

传统的经颅电刺激技术通常是按照死板的、“一刀切”的方式进行。刺激的参数(刺激位置、强度、刺激时长等)通常都是预先设置好的，在刺激的整个过程中是保持不变的，在被试间也是保持一致的，这种刺激方式忽略了被试大脑状态的变化和个体间大脑的差异性，这可能是现有经颅电刺激技术对负面情绪调节的效果不稳定原因之一，Thut等人指出，通过实时监测大脑的活动，从而决定刺激的时间可能是提高效果的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供的基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，通过信号分析处理模块对电脑信号进行分析、处理，以发送信号触发控制可控正弦电刺激发生器输出相位差和幅值可控的数字信号，解决了现有经颅电刺激技术刺激参数无法根据个体差异进行变化的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，包括脑电信号采集设备、信号分析处理模块和可控正弦电刺激发生器，脑电信号采集设备通过信号分析处理模块与可控正弦电刺激发生器连接；

所述脑电信号采集设备采用脑电放大器，用于设置电脑数据的采样频率，并以预设的时间段采集的信号作为一个数据包发送至信号分析处理模块；

所述信号分析处理模块用于接收脑电信号采集设备发送的若干数据包，对接收的数据包进行滤波，并对滤波后的信号进行峰值、谷值的判断，若存在峰值或谷值时，判断峰值或谷值的绝对值是否大于阈值，若大于，则信号分析处理模块信号触发可控正弦电刺激发生器；

所述可控正弦电刺激发生器接收信号分析处理模块发送的信号触发，根据接收的信号触发，周期性输出相位差和幅值可控的数字信号。

进一步地，所述信号分析处理模块的分析方法，包括以下步骤：

S1、信号分析处理模块接收脑电信号采集设备发送的数据包，并进行存储；

S2、判断接收的数据包的数量是否达到50个，若达到50个时，对当前存储的500ms的数字进行FIR滤波，得到滤波后的脑电信号g(n)，FIR滤波采用的滤波器为汉明窗，滤波器的中心频率即为f；

S3、判断滤出的最后10ms数据是否存在峰值、谷值，若存在峰值或谷值，执行步骤S4，否则，执行步骤S5；

S4、判断该峰值或谷值的绝对值是否超过阈值，若峰值或谷值的绝对值超过阈值，则发送峰值或谷值对应的信号触发可控正弦电刺激发生器，若峰值或谷值的绝对值未超过阈值，执行步骤S5；

S5、重新等待10ms的数据，并执行步骤S3-S4。

进一步地，所述可控正弦电刺激发生器包括单片机控制模块、数模转换模块、放大电路模块、直流电源模块和继电器保护电路模块，单片机控制模块与数模转换模块连接，放大电路模块分别与直流电源模块、数据转换模块和继电器保护电路模块连接。

进一步地，当触发信号为峰值或谷值时，单片机控制模块判断接收的触发信号是否为峰值或谷值，若为峰值，单片机周期性输出相位差为φ、幅值A为数字信号g1(n)，若为谷值，单片机控制模块周期性输出相位差为φ、幅值A为数字信号g2(n)。

进一步地，

数字信号g1(n)和g2(n)的周期为1/f，幅值为A。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，通过信号分析处理模块并结合脑电信号采集设备和可控正弦电刺激发生器，信号分析处理模块对脑电信号进行分析、处理，并发送信号触发控制可控正弦电刺激发生器输出相位差和幅值可控的数字信号，能够对使用者特定频率段的脑电信号的相位和幅值进行可控，提供相位哈和幅值可控的反馈电刺激，在反馈电刺激平台在科研和医疗领域上具有广泛的应用前景，是未来经颅电刺激研究和医疗的重要方向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台的示意图；

图2为本发明中可控正弦电刺激发生器的示意图；

图3为本发明中相位差和幅值可控的示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，包括脑电信号采集设备、信号分析处理模块和可控正弦电刺激发生器，脑电信号采集设备通过信号分析处理模块与可控正弦电刺激发生器连接；

脑电信号采集设备采用脑电放大器，用于设置电脑数据的采样频率，并以每10ms作为一个数据包发送至信号分析处理模块，电脑信号采集设备的采样频率可设为1000Hz,数据包中包含了所有采样电极在10ms内的时间序列电平信号；

信号分析处理模块用于接收脑电信号采集设备发送的若干数据包，对接收的数据包进行滤波，并对滤波后的信号进行峰值、谷值的判断，若存在峰值或谷值时，判断峰值或谷值的绝对值是否大于阈值，若大于，则信号分析处理模块信号触发可控正弦电刺激发生器；

信号分析处理模块的分析方法，包括以下步骤：

S1、信号分析处理模块接收脑电信号采集设备发送的数据包，并进行存储；

S2、判断接收的数据包的数量是否达到50个，若达到50个时，对当前存储的500ms的数字进行FIR滤波，得到滤波后的脑电信号g(n)，FIR滤波采用的滤波器为汉明窗，滤波器的中心频率即为f，长度为10ms；

S3、判断滤出的最后10ms数据是否存在峰值、谷值，若存在峰值或谷值，执行步骤S4，否则，执行步骤S5；

S4、判断该峰值或谷值的绝对值是否超过阈值，若峰值或谷值的绝对值超过阈值，则发送峰值或谷值对应的信号触发可控正弦电刺激发生器，若峰值或谷值的绝对值未超过阈值，执行步骤S5；

S5、重新等待10ms的数据，并执行步骤S3-S4。

可控正弦电刺激发生器接收信号分析处理模块发送的信号触发，根据接收的信号触发，周期性输出预设的相位差为φ、幅值为A的数字信号。

如图2所示，所述可控正弦电刺激发生器包括单片机控制模块1、数模转换模块2、放大电路模块3、直流电源模块4和继电器保护电路模块5，单片机控制模块1与数模转换模块2连接，放大电路模块3分别与直流电源模块4、数据转换模块2和继电器保护电路模块5连接；

单片机控制模块1包括单片机，单片机输出的信号发送至数模转换模块，所述单片机控制模块采用型号为ATMEGA328P的单片机；

数模转换模块2接收单片机控制模块发送的信号，并将接收的信号转换成模拟信号，转换后的模拟信号发送至放大电路模块，所述数模转换模块包括数模转换芯片，所述数模转换模块采用型号为DAC0832的数模转换芯片；

放大电路模块3接收数模转换模块发送的模拟信号，对模拟信号进行放大，所述放大电路模块包括两放大器，所述放大器采用的型号为LM358，通过两放大器的连接，实现模拟量信号的两级放大；

直流电源模块4包括稳压源U4、三极管Q1、电阻R7、R8、R9和蓄电池，所述稳压源采用的型号为TL431，三极管Q1采用的型号为2SC1162；

继电器保护电路模块5包括继电器、电阻R4、R5和R6，所述继电器采用的型号为G2R-1E-DC12；

如图3所示，当触发信号为峰值或谷值时，单片机判断接收的触发信号是否为峰值或谷值，若为峰值，单片机周期性输出相位差为φ、幅值A为数字信号g1(n)，若为谷值，单片机周期性输出相位差为φ、幅值A为数字信号g2(n)，其中，数字信号g1(n)和g2(n)的周期为1/f，幅值为A；

将g1(n)和g2(n)预先写入单片机内，g1(n)和g2(n)对应的频率分别为f，g1(n)和g2(n)的序列和实际频率为f的脑电的相位关系，如图3所示：

(1)信号幅值都为A，幅值A可自由设置；

(2)周期为1/f，

(3)

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，其特征在于：包括脑电信号采集设备、信号分析处理模块和可控正弦电刺激发生器，脑电信号采集设备通过信号分析处理模块与可控正弦电刺激发生器连接；

所述脑电信号采集设备采用脑电放大器，用于设置电脑数据的采样频率，并以预设的时间段采集的信号作为一个数据包发送至信号分析处理模块；

所述信号分析处理模块用于接收脑电信号采集设备发送的若干数据包，对接收的数据包进行滤波，并对滤波后的信号进行峰值、谷值的判断，若存在峰值或谷值时，判断峰值或谷值的绝对值是否大于阈值，若大于，则信号分析处理模块信号触发可控正弦电刺激发生器；

所述可控正弦电刺激发生器接收信号分析处理模块发送的信号触发，根据接收的信号触发，周期性输出相位差和幅值可控的数字信号；

其中，所述信号分析处理模块的分析方法，包括以下步骤：

S1、信号分析处理模块接收脑电信号采集设备发送的数据包，并进行存储；

S2、判断接收的数据包的数量是否达到50个，若达到50个时，对当前存储的500ms的数据进行FIR滤波，得到滤波后的脑电信号g(n)，FIR滤波采用的滤波器为汉明窗，滤波器的中心频率即为f；

S3、判断滤出的最后10ms数据是否存在峰值、谷值，若存在峰值或谷值，执行步骤S4，否则，执行步骤S5；

S4、判断该峰值或谷值的绝对值是否超过阈值，若峰值或谷值的绝对值超过阈值，则发送峰值或谷值对应的信号触发可控正弦电刺激发生器，若峰值或谷值的绝对值未超过阈值，执行步骤S5；

S5、重新等待10ms的数据，并执行步骤S3-S4。

2.根据权利要求1所述的基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，其特征在于：所述可控正弦电刺激发生器包括单片机控制模块、数模转换模块、放大电路模块、直流电源模块和继电器保护电路模块，单片机控制模块与数模转换模块连接，放大电路模块分别与直流电源模块、数据转换模块和继电器保护电路模块连接。

3.根据权利要求2所述的基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，其特征在于：当触发信号为峰值或谷值时，单片机控制模块判断接收的触发信号是否为峰值或谷值，若为峰值，单片机周期性输出相位差为φ、幅值A为数字信号g1(n)，若为谷值，单片机控制模块周期性输出相位差为φ、幅值A为数字信号g2(n)。

4.根据权利要求3所述的基于脑电特定频率的幅值、相位可控的反馈电刺激平台，其特征在于：

数字信号g1(n)和g2(n)的周期为1/f，幅值为A。

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