CN111001099A - 超声刺激人类语言神经中枢的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声刺激人类语言神经中枢的系统。涉及康复系统领域，包括：超声调控子系统：语言评估子系统：用于在语言能力评估模式中，评估用户当前的语言能力，得到评级结果；控制子系统：用于进行任务分发和资源调配，使所述超声调控子系统、所述语言评估子系统协调工作。通过超声对特定穴位的刺激改变大脑语言功能区的激活强度，增强大脑语言功能区功能活性，评估达到改善语言能力的效果，同时取代针灸穴位治疗，降低操作复杂性，不依赖于进行针灸治疗的熟练医生的手动操作，具有无创性、自动化、效率高等优点。

Description

超声刺激人类语言神经中枢的系统
技术领域
本发明涉及康复系统领域，尤其是涉及一种超声刺激人类语言神经中枢的系统。
背景技术
如今颅脑损伤较为常见，即便康复，严重的后遗症仍然影响患者的正常生活。现在常见的非侵入性神经调控技术，如经颅电刺激(tDCS或tACS)和经颅磁刺激(TMS)，可以通过增加或减少人脑的兴奋性来调节局部脑活动，进而达到治疗神经性疾病、促进健康人脑功能的目的，但这些技术在空间特异性和穿透深度上非常有限，难以达到良好的治疗效果。经颅超声刺激(TFUS)技术创造了一种可以无创地将超声声束传输到局部组织的方法，具有空间分辨率高、穿透性好等特点。在一系列动物实验中已经证明了聚焦超声对其大脑功能具有良好的调节作用，例如可以无创地调节小鼠、兔子、绵羊甚至健康的灵长类动物的大脑功能而不造成组织损伤。但是经颅超声刺激在健康人脑上很难实现，因为当超声声束通过人脑颅骨传输时，声束能量急剧下降，这将大大降低刺激效果。因此需要提出一种能够具有高空间分辨率、强穿透性，且能有效调节大脑语言神经中枢活性的超声刺激人类语言神经中枢的系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出超声刺激人类语言神经中枢的系统，能够增强大脑语言功能区的活性，改善用户的语言能力。
第一方面，本发明的一个实施例提供了：一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，工作模式包括：超声穴位刺激模式和语言能力评估模式，包括：
超声调控子系统：用于根据超声刺激参数生成超声信号，当处于超声穴位刺激模式时作用于用户的预设穴位；
语言评估子系统：用于在语言能力评估模式中，评估用户当前的语言能力，得到评级结果；
控制子系统：用于进行任务分发和资源调配，使所述超声调控子系统、所述语言评估子系统协调工作，并根据所述评级结果调整所述超声刺激参数。
进一步地，所述预设穴位包括：通里穴和/或悬钟穴。
进一步地，所述超声调控子系统包括：信号发生模块、功率放大模块和超声换能器；
所述信号发生模块根据所述超声刺激参数产生信号发送给所述功率放大模块，所述功率放大模块将所述信号进行功率放大，以驱动所述超声换能器将功率放大后的信号转换为超声信号。
进一步地，所述语言评估子系统通过预设语言能力任务对用户语言能力进行评级，所述预设语言能力任务包括：字命名任务和/或句子理解任务。
进一步地，所述语言评估子系统根据用户完成所述预设语言能力任务时的结果进行语言能力评级，并将所述评级结果发送至所述控制子系统。
进一步地，所述超声刺激参数包括：超声频率、脉冲重复频率、脉冲周期数目、脉冲串长度、脉冲串间隔、串循环次数。
进一步地，还包括异常管理子系统，用于监控系统工作状态并处理异常情况。
进一步地，还包括显示模块，用于显示包括穴位指导和语言评估过程、设置超声刺激参数、超声参数历史数据在内的信息。
本发明的有益效果是：
本发明的超声刺激人类语言神经中枢的系统的工作模式包括：超声穴位刺激模式和语言能力评估模式，系统包括：超声调控子系统：用于根据超声刺激参数生成超声信号，当处于超声穴位刺激模式时作用于用户的预设穴位；语言评估子系统：用于在语言能力评估模式中，评估用户当前的语言能力，得到评级结果；控制子系统：用于进行任务分发和资源调配，使所述超声调控子系统、所述语言评估子系统协调工作。通过超声对特定穴位的刺激改变大脑语言功能区的激活强度，增强大脑语言功能区功能活性，评估达到改善语言能力的效果，同时取代针灸穴位治疗，降低操作复杂性，不依赖于进行针灸治疗的熟练医生的手动操作，具有无创性、自动化、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中超声刺激人类语言神经中枢的系统实施例一的结构框图；
图2是本发明实施例中超声刺激人类语言神经中枢的系统实施例一的使用流程图；
图3是本发明实施例中超声刺激人类语言神经中枢的系统实施例二的具体结构示意图
图4是本发明实施例中超声刺激人类语言神经中枢的系统实施例二的超声探头结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一：
针灸是传统中医学的重要组成部分，研究证明针灸悬钟或通里等穴位可有效调节大脑语言中枢的神经活动。一般情况下，针灸针插入皮肤的穴位15-25毫米。与针刺相似，聚焦超声脉冲所产生的声束(直径约4-6mm)可将超声能量直接作用于人体穴位。低强度聚焦超声可以通过声波传播过程中激发受波作用媒质产生机械振动，如作用于神经细胞时激发细胞膜产生机械振动拉伸脂质双分子层构成的薄膜，从而实现对针灸效果的模拟。针灸法对神经系统可以起到显著的调节作用，而部分穴位的针灸能起到显著调节语言功能的作用，现有研究认为神经递质的变化在针灸对中枢神经的调节中可能起着重要的作用。因此本实施例中利用超声模拟针灸穴位从而引起大脑活动的改变，进行无创性神经调节。
本发明实施例一提供超声刺激人类语言神经中枢的系统，工作模式包括：超声穴位刺激模式和/或语言能力评估模式，其中两种模式可以择一选择，也可以进行配合选择，例如单独进行语言能力评估、单独进行超声穴位刺激。
图1为本发明实施例提供的超声刺激人类语言神经中枢的系统的结构框图，如图1所示，该评估系统包括以下功能部件：
超声调控子系统100：用于根据超声刺激参数生成超声信号，当处于超声穴位刺激模式时作用于用户的预设穴位。
语言评估子系统200：用于在语言能力评估模式中，评估用户当前的语言能力得到评级结果。
控制子系统300：用于进行任务分发和资源调配，使超声调控子系统、语言评估子系统200协调工作，并根据评级结果调整超声刺激参数。
评估模式切换键400，用于切换超声穴位刺激模式或语言能力评估模式。
显示模块500，用于显示包括穴位指导、语言评估过程、设置超声刺激参数、超声参数历史数据在内的信息，例如在使用评估之前，通过图文、视频等方式为用户提供穴位定位指导，协助用户在独自使用的情况下，快速准确的找到本实施例的预设穴位。
数据存储模块600：用于存储该超声刺激人类语言神经中枢的系统的使用日志、超声刺激参数、预设语言能力任务评估等信息。
超声参数调节旋钮700：用于选择各项超声刺激参数，例如通过按压并旋转旋钮可以选择各参数项，无按压旋转旋钮可调整参数大小等，随时根据用户需要对超声脉冲参数进行调节。
异常管理子系统800：用于监控系统工作状态并处理异常情况，例如对诸如各连接线接合松动、硬件部件通讯不畅、系统电源电压不足、系统内存、存储不足、各子系统软件响应时间过长或无响应、宕机以及超声刺激参数高于安全阈值等异常情况进行监控，必要时将断电关机，保证各功能部件的正常运行以及用户的人身安全。
可以理解的是，本实施例中一些功能部件，例如语言评估子系统200、超声调控子系统100、可以独立运行互不干扰，通过异常管理子系统800、控制子系统300实现各部件之间的协调工作和共享数据，以达到更好的评估效果。
本实施例中选择的与语言相关的预设穴位为：通里穴和悬钟穴，其中通里穴位于前臂掌侧，当尺侧腕屈肌腱的桡侧缘，腕横纹上1寸；悬钟穴位于小腿外侧，当外踝尖上3寸，腓骨前缘。
下面具体描述各功能部件的工作原理。
本实施例中控制子系统300可选的为微处理器，进行系统任务分发与软硬件资源调配，在异常管理子系统800的监控下，使得超声调控子系统100、语言能力评估子系统协调工作，以便用户可以在超声穴位刺激和语言评估上进行无缝衔接。
同时，微控制器根据预设工作流程对用户进行语言能力评估以及穴位定位指导和超声穴位刺激等操作，对其进行合理调整，使得超声调控子系统100产生的超声信号进行超声穴位刺激时能够达到更好的效果。
无论是新用户还是旧用户，在使用本实施例的系统之前，均需要注册后进行当前状态下的语言能力评估，使得控制子系统300对当前用户的语言能力进行初步了解和定位后，根据用户的评估结果确定超声刺激参数，并通过显示装置，如屏幕提示用户选择进入超声穴位刺激模式，用户可以通过面板上对应的模式切换键400(或者旋钮)进入相应的模式中。
具体的，控制子系统300控制语言评估子系统200对当前用户进行语言能力评估得到评级结果的过程为：
语言评估子系统200通过预设语言能力任务对用户语言进行个性化评级，本实施例中，预设语言任务包括：字命名任务和/或句子理解任务；
语言评估子系统200根据用户完成预设语言能力任务时的反馈参数进行语言能力评级，并将评级结果发送至控制子系统300。
例如一个具体实施场景中，预设语言能力评估任务分别为：
1)字命名任务根据屏幕上的汉字进行出声阅读；2)句子理解任务要求被试根据对屏幕上句意做出是否判断。
本实施例的超声刺激人类语言神经中枢的系统根据用户评估结果对应的语言能力强弱依次可分成A、B、C、D、E五个等级，分别对应90～100分、80～89分、70～79分、60～69分和60分以下。
例如根据用户的结果准确率进行评分，得到的分数与准确率对应的数字一致，如用户字命名，系统统计的准确率是90％，那么用户在字命名的评级为A级(90～100分)，又比如，用户完成句子理解任务后，系统得到准确率为85％，则用户在该任务中的评级为B级(80～89分)等，可以根据实际需要设定预设语言能力任务的具体实现方式和评分规则，在此不做限定。该语言能力评级方法简单有效，能在一定程度上对用户的语言能力做出准确地评价，当某个用户评估过程中对应的结果较差(比如准确率低于85％)，则说明该用户在进行该种语言任务的功能较弱，需要进一步的干预，因此根据评级结果调整超声刺激参数。
本实施例的语言能力评分方法内置于语言评估子系统200内，只对用户在进行语言评估时的按键或音频反馈结果进行统计，从而得到相应的评级结果，同时将评级结果存储于数据存储单元，可选的出于隐私考虑，相关用户通过只读形式获得结果。
进一步地，本实施例中超声调控子系统100包括：信号发生模块110、功率放大模块120和超声换能器130，信号发生模块110根据超声刺激参数产生信号发送给功率放大模块120，功率放大模块120将信号进行功率放大，以驱动超声换能器130将功率放大后的信号转换为超声信号。
功率放大模块120将信号发生模块110的输出的信号进行功率放大(例如放大10dB)，用来驱动超声换能器130，另外本模块支持多通道输出，能够产生不同的超声波刺激不同穴位，达到精准调控的效果。
超声换能器130配有聚焦式换能器片，采用磁兼容的压电陶瓷材料，能将功率放大器的电信号转换成超声波，并精准作用于特定的穴位。同时可选直径尺寸不同的超声探头，例如0.5cm至1cm等不同尺寸。
进一步地，超声调控系统还内置一个安全机制，该安全机制限制超声刺激参数，保证用户能在安全的范围内进行超声刺激。
例如一般情况下，采用默认值设置超声刺激参数，但因用户个体差异大，为避免因超声刺激而产生难以忍受的痛觉，用户在每次进行超声穴位刺激之前都先进行一次痛觉阈值的测量，测量方法为用户手动调节各刺激参数使得刚好达到可忍受的感觉范围内，控制子系统300将计算声强并保存。在超声穴位刺激模式下，用户也可通过面板上的参数调节旋钮自定义设置或通过控制子系统300进行智能化调节，为避免可能的参数设置异常，例如防止过高的声强(>30w/cm2)作用于穴位导致对用户造成伤害，控制子系统300实时计算声强大小并限制各个超声刺激参数可能的最大值，即声强达到最大时，用户无法继续增加各参数值，显示模块500也同时进行弹窗警告。
具体的超声刺激参数包括：频率(例如设置范围为0.1kHz～5MHz)、超声频率脉冲重复频率(例如设置范围为0.1MHz～1MHz)、脉冲周期数目(例如设置范围为100个～300个)、脉冲串长度(例如设置范围为10s～60s)、脉冲串间隔(例如设置范围为1s～60s)、串循环次数(例如设置范围为3次～6次)等，可调节的超声频率为0.1W/cm2～5W/cm2。可选的，如设置默认波形为：频率为0.5MHz的正弦波，脉冲重复频率为1000Hz，脉冲周期数目为300，脉冲串长度为46s，串间隔为30s，串循环次数为4次。
上述设置范围仅做参考示意，并不代表限定本实施例中超声刺激参数值的选择范围。
进一步地，因超声刺激参数较多，不同的参数配置效果也不同，且用户个体差异大，因此本实施例可以选择只对一个参数进行自动调节，如脉冲重复频率(脉冲重复频率)，当然用户可以设置选择增加、减少或更换需要自动调节的参数项。
本实施例还包括一些硬件部件，例如：1)键盘：用于用户输入信息；2)轻触按钮：经改造的键盘左右方向键，专用于接收用户的语言评估的反应，系统可实时统计用户的按键反馈；3)HDMI接口：用于拓展语言评估显示界面；4)USB接口：用于读取外部语言评估材料；5)探头接口：用于连接穴位专用探头，配置了不同规格的探头和固定装置，以满足不同的穴位需求，用户可在视频指导下轻松地完成安装。6)指示灯：用于指示探头的工作状态；7)电源接口：用于给系统供电；8)麦克风/耳机接口：用于连接麦克风和耳机，输入/输出音频信息。
上述仅仅给出本实施例一些常用硬件部件的示意，并不代表本实施例不包括上述硬件部件以外的部件。
如图2所示，为本实施例的使用流程图。
首先进行线路连接，如电缆和电源线等，然后开机进行该系统软硬件初始化和自检，然后获取用户登录或注册信息，对于新用户完善个人信息，然后进行语言能力初步评估，对于老用户，直接进去用户个人界面获取语言能力评估结果，模式选择：超声穴位刺激模式和/或语言能力评估模式，当进行超声穴位刺激模式时，需要进行超声刺激参数设置。
实施例二：
如图3所示，为本实施例的超声刺激人类语言神经中枢的系统一种实施方式具体结构示意图。
从图中可以看出，包括：屏幕001、参数调节旋钮002、轻触按钮003、键盘004、模式切换键005、电源按键006、HDMI接口007、USB接口008、麦克风009、耳机010、电源接口011、探头接口012、超声探头013和指示灯017。
如图4所示，为本实施例超声探头结构示意图，包括电缆014、超声换能器015和弹性吸盘016，探头治疗端面(即吸盘016底面)与用户皮肤通过弹性吸盘016吸合，涂抹少许超声耦合剂既可改善皮肤与端面接触效果也可加强弹性吸盘016的吸附能力。
其具体使用方法见实施例一的描述。
本发明的超声刺激人类语言神经中枢的系统的工作模式包括：超声穴位刺激模式和语言能力评估模式，系统包括：
超声调控子系统：用于根据超声刺激参数生成超声信号，当处于超声穴位刺激模式时作用于用户的预设穴位；
语言评估子系统：用于在语言能力评估模式中，评估用户当前的语言能力，得到评级结果；
控制子系统：用于进行任务分发和资源调配，使所述超声调控子系统、所述语言评估子系统协调工作。
通过超声对特定穴位的刺激改变大脑语言功能区的激活强度，增强大脑语言功能区功能活性，评估达到改善语言能力的效果，同时取代针灸穴位治疗，降低操作复杂性，不依赖于进行针灸治疗的熟练医生的手动操作，具有无创性、自动化、效率高等优点。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，工作模式包括：超声穴位刺激模式和语言能力评估模式，包括：
超声调控子系统：用于根据超声刺激参数生成超声信号，当处于超声穴位刺激模式时作用于用户的预设穴位；
语言评估子系统：用于在语言能力评估模式中，评估用户当前的语言能力，得到评级结果；
控制子系统：用于进行任务分发和资源调配，使所述超声调控子系统、所述语言评估子系统协调工作，并根据所述评级结果调整所述超声刺激参数。
2.根据权利要求1所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，所述预设穴位包括：通里穴和/或悬钟穴。
3.根据权利要求1所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，所述超声调控子系统包括：信号发生模块、功率放大模块和超声换能器；
所述信号发生模块根据所述超声刺激参数产生信号发送给所述功率放大模块，所述功率放大模块将所述信号进行功率放大，以驱动所述超声换能器将功率放大后的信号转换为超声信号。
4.根据权利要求1所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，所述语言评估子系统通过预设语言能力任务对用户语言能力进行评级，所述预设语言能力任务包括：字命名任务和/或句子理解任务。
5.根据权利要求4所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，所述语言评估子系统根据用户完成所述预设语言能力任务时的结果进行语言能力评级，并将所述评级结果发送至所述控制子系统。
6.根据权利要求1所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，所述超声刺激参数包括：超声频率、脉冲重复频率、脉冲周期数目、脉冲串长度、脉冲串间隔、串循环次数。
7.根据权利要求1所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，还包括异常管理子系统，用于监控系统工作状态并处理异常情况。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种超声刺激人类语言神经中枢的系统，其特征在于，还包括显示模块，用于显示包括穴位指导和语言评估过程、设置超声刺激参数、超声参数历史数据在内的信息。
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