CN111481799A - 一种脑电波闭环控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑电波闭环控制设备，包括意识捕捉器100、脑电波闭环反馈控制器200、意识辅助器300和人机交互综合管理器400,将大脑的脑电信号作为反馈信号，直接用于调节大脑刺激设备的刺激参数，通过对不同输入控制指标的精确控制实现对大脑意识状态的精准调控,增强系统的有效性、可靠性和实用性。

Description

一种脑电波闭环控制设备

技术领域

本发明涉及脑电波控制技术领域，尤其涉及一种脑电波闭环控制设备。

背景技术

EEG(Electroencephalogram，脑电波)是大脑活动时，大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的有韵律的电场波动，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。脑电波是一种使用电生理指标记录大脑活动的方法，是中枢神经系统自发产生的生物电信号，能够反映大脑神经系统的状态和变化。因此，通过对脑电波的采集处理和分析可获得大脑的意识状态。

交流电刺激利用刺激电极将特殊波形的微电流传导到大脑，并刺激大脑中枢神经系统，从而达到调节大脑意识状态的目的，作为一种非药物物理疗法，具有安全、无副作用等特点，而且是直接刺激大脑中枢神经系统，无需通过身体复杂的代谢循环过程，具有效果直接，同时可累积叠加的优势，因此受到广泛的关注。

然而，现有技术中交流电刺激设备与脑电波信号采集分析设备分离，不能实时监测交流电刺激时脑电波的变化，并根据监测结果调节刺激参数；而脑电波具有强随机性和非平稳性，如果不能获得大脑当前的意识状态，就不能对刺激参数进行针对性的精确调节，从而获得理想的治疗效果。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种脑电波闭环控制设备，以解决现有技术中不能根据人体脑电波实时状态进行精确调节的问题。

本发明提出的一种脑电波闭环控制设备，包括意识捕捉器、脑电波闭环反馈控制器、意识辅助器和人机交互综合管理器，其中，

意识捕捉器，用于采集脑电波信号，并根据脑电波信号频率特性确定大脑意识状态；

脑电波闭环反馈控制器，分别与意识辅助器和人机交互综合管理器连接，根据用户通过人机交互综合管理器输入的控制指标和意识捕捉器获得的当前大脑意识状态，调整刺激参数，发送给意识辅助器；

意识辅助器，根据脑电波闭环反馈控制器输出的刺激参数，产生符合安全标准，而且频率和强度可调的微弱交流电，对大脑进行刺激，促进大脑意识状态产生改变；

人机交互综合管理器，分别与意识捕捉器、脑电波闭环反馈控制器和意识辅助器连接，用于为用户提供可视化界面选择控制指标和状态的实时监测掌控。

优选地，意识捕捉器具体包括：

非侵入式干电极模块，包括采集电极和参考电极，采集电极以参考电极为基准对脑电波信号进行实时采集；

EEG预处理模块，与非侵入式干电极模块连接，用于对非侵入式干电极模块采集到的脑电波信号进行放大、滤波和模数转换；

EEG分析模块，与EEG预处理模块连接，用于对EEG预处理模块处理过的脑电波信号，提取特征脑电成分以及特征参数。

优选地，采用时频域分析方法提取特征脑电成分并采用遗传、集群、神经网络算法获得相关的特征参数。

优选地，意识辅助器具体包括：

刺激微电流控制器，用于接收脑电波闭环反馈控制器输出的刺激参数；

控制刺激电流发生模块，与刺激微电流控制器连接，用于根据刺激参数产生具有对应的刺激微电流；

刺激电极模块，与控制刺激电流发生模块连接，用于将刺激电流发生模块产生的刺激微电流通过耳夹电极传输至大脑皮层，通过改善大脑各功能组织的频率特性实现对大脑皮层的调控。

优选地，脑电波频率确定大脑意识状态中，

当大脑频率处于δ波时，为深度睡眠、无意识状态；

当大脑频率处于θ波时，为深度放松、无压力的潜意识状态；

当大脑频率处于α波时，为学习与思考的最佳状态；

当大脑频率处于β波时，为紧张、压力、脑疲劳时的脑波状态。

本发明中，将大脑的脑电信号作为反馈信号，直接用于调节大脑刺激设备的刺激参数，通过对不同输入控制指标的精确控制实现对大脑意识状态的精准调控,增强系统的有效性、可靠性和实用性。本发明中的脑电波闭环控制设备应用广泛，不仅对焦虑、抑郁、失眠、紧张等情绪问题有显著的治疗效果，而且还可以适用于专注度和放松度等个人心理综合能力提高。

附图说明

图1为本发明实施例一提出的一种脑电波闭环控制设备结构图；

图2为本发明实施例二提出的一种脑电波闭环控制设备结构图。

具体实施方式

本发明实施例提出了一种脑电波闭环控制设备，如图1所示，包括意识捕捉器100、脑电波闭环反馈控制器200、意识辅助器300和人机交互综合管理器400，其中，

意识捕捉器100，用于采集脑电波信号，并根据脑电波频率特性(即脑电波频率处于的波段)，确定并反馈大脑意识状态。脑电波按照相对固定的频率范围分为α、β、θ、δ，对应着大脑呈现的四种不同状态：

1、当大脑频率处于δ波时，为深度睡眠、无意识状态。人的睡眠品质好坏与δ波有直接的关系，δ波睡眠是一种很深沉的睡眠状态，如果在辗转难眠时促进进入近似δ波状态，就能很快地摆脱失眠而进入深沉睡眠；

2、当大脑频率处于θ波时，为深度放松、无压力的潜意识状态。人的意识中断，身体深沉放松，对于外界的信息呈现高度的受暗示状态，即被催眠状态。θ波对于触发深沉忆、强化长期记忆等帮助极大，所以θ波被称为“通往记忆与学习的闸门”。

3、当大脑频率处于α波时，为学习与思考的最佳状态。人的意识清醒，但身体却是放松的，是提供意识与潜意识的“桥梁”。在这种状态下，身心能量耗费最少，相对的脑部获得的能量较高，运作就会更加快速、顺畅、敏锐。α波被认为是人们学习与思考的最佳脑波状态。

4、当大脑频率处于β波时，为紧张、压力、脑疲劳时的脑波状态。人们清醒时，大部分时间大脑频率处于β波状态。随着β波频段内能量的增强，身体逐渐呈紧张状态，因而削减了体内免疫系统能力，此时人的能量消耗加剧，容易疲倦，若不充分休息，容易堆积压力。适当的β波对注意力提升以及认知行为的发展有积极作用。

脑电波闭环反馈控制器200，分别与意识辅助器300和人机交互综合管理器400连接，根据用户通过人机交互综合管理器400输入的控制指标和意识捕捉器100获得的当前大脑意识状态，调整刺激参数，发送给意识辅助器300。其中，控制指标与大脑频率对应，包括专注度指标、放松度指标、记忆力指标、情绪指标、睡眠指标等。例如，用户在可视化界面中选择专注度指标。按照不同频段的刺激会影响不同大脑状态的规则解算刺激幅度、刺激频率、刺激周期等刺激参数，刺激参数包括刺激幅度I≤1mA，刺激频率ω≤100HZ、刺激周期T≤40min，输出给意识辅助器300。

意识辅助器300，根据脑电波闭环反馈控制器200输出的刺激参数，产生频率和强度可调的人体安全微弱交流电，对大脑进行刺激，从而促进大脑意识状态产生改变。

人机交互综合管理器400，分别与意识捕捉器100、脑电波闭环反馈控制器200和意识辅助器300连接，用于为用户提供可视化界面选择控制指标，并且存储显示各器件中的数据，实现同步监测和调控。

优选地，如图2所示，意识捕捉器100具体包括：非侵入式干电极模块110、EEG预处理模块120和EEG分析模块130。其中，非侵入式干电极模块110包括：采集电极和参考电极，采集电极的脑电传感器固定于大脑的前额区域，参考电极通过耳夹与耳垂相连；采集电极以参考电极为基准对脑电波信号进行实时采集；EEG预处理模块120，与非侵入式干电极模块110连接，用于对非侵入式干电极模块110采集到的脑电波信号进行放大、滤波和模数转换；EEG分析模块130，与EEG预处理模块120连接，用于对EEG预处理模块120处理过的脑电波信号，采用傅里叶变换、小波变换等时频域分析方法提取特征脑电成分(提取其中包含的α、β、θ、δ等频率信号)，然后根据α、β、θ、δ等频率信号的相对关系采用遗传、集群或神经网络等算法解算出与大脑的状态有关的特征参数。

优选地，如图2所示，意识辅助器300具体包括：

刺激微电流控制器310，用于接收脑电波闭环反馈控制器200输出的刺激参数；

控制刺激电流发生模块320，与刺激微电流控制器310连接，用于根据刺激参数产生具有对应的刺激微电流；

刺激电极模块330，与控制刺激电流发生模块320连接，用于将刺激电流发生模块320产生的刺激微电流通过耳夹电极传输至大脑皮层，通过改善大脑各功能组织的频率特性实现对大脑皮层的调控。

下面以基于经颅交流电刺激(Cranial Electrotherapy Stimulator，CES)作为实施例，其中控制指标为专注度指标，本发明脑电波闭环控制设备具有多种工作模式，其中一种工作模式具体步骤如下：

第一步：通过人机交互综合管理器400的可视化界面选择控制指标为专注度指标，人机交互综合管理器400向脑电波闭环反馈控制器200发出指令。

第二步：脑电波闭环反馈控制器200根据收到的指令，确定专注度指标对应的脑电波频率为α波，解算出α波对应的刺激幅度、刺激频率、刺激周期等刺激参数，输出给意识辅助器300。

第三步：意识辅助器300，根据脑电波闭环反馈控制器200输出的刺激参数产生刺激电流，通过耳夹电极传输至大脑，并通过改善大脑各功能组织的频率特性实现对大脑皮层的调控，以进入α波。

第四步：意识捕捉器100，进行脑电波信号采集，实现脑电波频率的提取以及采用遗传、集群、神经网络等算法的特征参数计算，确定脑电波频率，并将该脑电波频率传送给人机交互综合管理器400。

第五步：人机交互综合管理器400根据意识捕捉器100反馈的大脑意识状态与输入控制指标的差异，按照闭环反馈的原理对刺激参数进行调整，当反馈的脑电波特性(例如脑电波频率或脑电波强度)与设置目标存在差异时，设备会自动调整刺激参数中的刺激频率或刺激幅度，使反馈的脑电波特性与设置目标相符；例如，采用动态自适应控制、鲁棒控制、混沌控制等智能控制算法对刺激参数进行调整。

本发明脑电波闭环控制设备另一种工作模式具体步骤如下：

第一步：通过人机交互综合管理器400的可视化界面向意识捕捉器100发送指令，要求采集实时的脑电波频率。

第二步：意识捕捉器100采集脑电波信号，并根据脑电波的特性(即频率脑电波频率处于的波段)，确定并反馈大脑意识状态，将脑电波信号频率及大脑意识状态反馈给人机交互综合管理器400。

第三步：用户通过人机交互综合管理器400的可视化界面获知脑电波信号频率及大脑意识状态，用户根据大脑意识状态确定是否需要进行大脑意识状态调节，如果确定需要调节，则输入控制指标。

第四步：人机交互综合管理器400根据用户输入控制指标对应脑电波频率范围及实时监测到的脑电波频率范围差距，向脑电波闭环反馈控制器200发出指令。

第五步：脑电波闭环反馈控制器200根据收到的指令，解算出刺激幅度、刺激频率、刺激周期等刺激参数，输出给意识辅助器300。

第六步：意识辅助器300，根据综合控制器200输出的刺激参数产生刺激电流，通过耳夹电极传输至大脑，并通过改善大脑各功能组织的频率特性实现对大脑皮层的调控。

第七步：意识捕捉器100实时采集脑电波信号，反馈给人机交互综合管理器400，实现闭环反馈控制。

本发明实施例为个人和家庭应用提供了一套独立性好、操作简单方便、界面友好、易推广、无损安全的多功能集成脑电波闭环控制系统和方法，其可为不同需求的人提供有针对性的控制方案，满足个性化需求，并在控制过程中通过闭环反馈不断调节参数，实现脑电波的精确调控，显著提高刺激效能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脑电波闭环控制设备，其特征在于，包括意识捕捉器(100)、脑电波闭环反馈控制器(200)、意识辅助器(300)和人机交互综合管理器(400)，其中，

意识捕捉器(100)，用于采集脑电波信号，并根据脑电波信号频率特性确定大脑意识状态；

脑电波闭环反馈控制器(200)，分别与意识辅助器(300)和人机交互综合管理器(400)连接，根据用户通过人机交互综合管理器(400)输入的控制指标和意识捕捉器(100)获得的当前大脑意识状态，调整刺激参数，发送给意识辅助器(300)；

意识辅助器(300)，根据脑电波闭环反馈控制器(200)输出的刺激参数，产生符合安全标准，而且频率和强度可调的微弱交流电，对大脑进行刺激，促进大脑意识状态产生改变；

人机交互综合管理器(400)，分别与意识捕捉器(100)、脑电波闭环反馈控制器(200)和意识辅助器(300)连接，用于为用户提供可视化界面选择控制指标和状态的实时监测掌控。

2.根据权利要求1所述的脑电波闭环控制设备，其特征在于，意识捕捉器(100)具体包括：

非侵入式干电极模块(110)，包括采集电极和参考电极，采集电极以参考电极为基准对脑电波信号进行实时采集；

EEG预处理模块(120)，与非侵入式干电极模块(110)连接，用于对非侵入式干电极模块(110)采集到的脑电波信号进行放大、滤波和模数转换；

EEG分析模块(130)，与EEG预处理模块(120)连接，用于对EEG预处理模块(120)处理过的脑电波信号，提取特征脑电成分以及特征参数。

3.根据权利要求2所述的脑电波闭环控制设备，其特征在于，采用时频域分析方法提取特征脑电成分并采用遗传、集群、神经网络算法获得相关的特征参数。

4.根据权利要求1所述的脑电波闭环控制设备，其特征在于，意识辅助器(300)具体包括：

刺激微电流控制器(310)，用于接收脑电波闭环反馈控制器(200)输出的刺激参数；

控制刺激电流发生模块(320)，与刺激微电流控制器(310)连接，用于根据刺激参数产生具有对应的刺激微电流；

刺激电极模块(330)，与控制刺激电流发生模块(320)连接，用于将刺激电流发生模块(320)产生的刺激微电流通过耳夹电极传输至大脑皮层，通过改善大脑各功能组织的频率特性实现对大脑皮层的调控。

5.根据权利要求1所述的脑电波闭环控制设备，其特征在于，脑电波频率确定大脑意识状态中，

当大脑频率处于δ波时，为深度睡眠、无意识状态；

当大脑频率处于θ波时，为深度放松、无压力的潜意识状态；

当大脑频率处于α波时，为学习与思考的最佳状态；

当大脑频率处于β波时，为紧张、压力、脑疲劳时的脑波状态。

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