CN111686358A - 味觉刺激装置及其使用方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了味觉刺激装置及其使用方法和应用，属于感官系统刺激装置领域。该装置包括：安装有编码程序和自制界面的上位机、若干个经RS－232转RS－485通信电缆与上位机连接的编程蠕动泵、经硅胶管分别与编程蠕动泵的进液口对应连接的若干个储液装置和辅助集合部件，其一端经硅胶管与编程蠕动泵的出液口连接，一端连接有硅胶管，形成储液装置内的液体经编程蠕动泵刺激后的液体输入通道，还包括连接有硅胶管且可直接插入受试者口腔内的真空泵。本发明可控制不同味觉液体、输送速度和刺激顺序，定时定量且具有较高时间分辨率和精准性，满足味觉相关磁共振功能成像和脑电图等脑科学研究的实验需求。

Description

味觉刺激装置及其使用方法和应用

技术领域

本发明属于感官系统刺激装置领域，具体涉及味觉刺激装置及其使用方法和应用，特别是在测试味觉刺激过程中人脑反应中的应用。

背景技术

近年来，捕捉脑活动信号的功能磁共振成像(functional Magnetic ResonanceImaging，fMRI)和脑电图(Electroencephalogram，EEG)相关技术在人类脑科学研究中得到了越来越广泛的应用，该技术具有非侵入的特点，使我们能够从整体水平来研究活体脑，机体对味觉的感受会在大脑某些区域有直接反映，产生信号响应激活，捕捉分析这些信号的变化规律能客观准确地反映出人体的真实感受，探究人类的味觉感知机制。在探究人对味觉刺激的反应时，需要在成像时或信号采集时通过某种刺激装置给被试呈现设计好的刺激任务，进而得到被试对该刺激的脑激活图。

现有技术中，一般不用味觉刺激装置或用不同自制的味觉刺激装置，但是不同的实验设计和溶液输送方法可能导致结果的差异性，获得的味觉感知机制统一结论造成一定不良误导。目前也存在商业味觉刺激器，但价格高昂，难以普及。因此，如何准确认识并强调脑与味觉相关科学研究对味觉刺激装置的需求，并针对其开发设计适用的、价格低廉、自主控制及易于搭建的刺激装置，对味觉感知机制的准确探究至关重要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种味觉刺激装置，在标准味觉fMRI和EEG实验中能够给予被试者味觉适当、准确的刺激，数据采集精准，满足研究者的需求。

本发明的另一目的还在于提供上述味觉刺激装置测试味觉刺激过程中人脑反应的方法。

本发明的再一目的还在于提供上述味觉刺激装置在测试味觉刺激过程中人脑反应中的应用。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种味觉刺激装置，包括：

上位机，安装有编码程序和自制界面；

若干个编程蠕动泵，经RS－232转RS－485通信电缆与所述上位机连接，通过所述上位机上安装的编码程序和自制界面控制所述编程蠕动泵的工作过程；

若干个储液装置，经硅胶管分别与所述编程蠕动泵的进液口对应连接；

辅助集合部件，一端经硅胶管与所述编程蠕动泵的出液口连接，另一端连接有所述硅胶管，形成所述储液装置内的液体经所述编程蠕动泵刺激后的液体输入通道，可直接插入受试者口腔内；

还包括连接有所述硅胶管的真空泵，可直接插入受试者口腔内形成液体输出通道。

根据本发明的一些实施方式，所述上位机、编程蠕动泵、储液装置和真空泵位于控制室内，所述辅助集合部件和与其连接的硅胶管位于屏蔽室内。

根据本发明的一些实施方式，所述上位机内的编码程序是由Qt软件编码并运用C语言编制，可通过在所述自制界面设置和储存味觉刺激范式，且所述味觉刺激范式可对包括但不限于刺激时间、顺序和刺激量参数进行调节。

根据本发明的一些实施方式，所述上位机内的自制界面由程序执行步骤和详情步骤信息框、启动键、停止键、保存参数键、调试显示键、串口连接模块、模式配置模块和退出键构成，通过所述串口连接模块更新端口实现通信，通过所述模式配置模块设计包括但不限于刺激时间、刺激间隔、刺激体积和循环次数。

根据本发明的一些实施方式，所述编程蠕动泵由泵头、步进电机、电机驱动器、芯片、显示屏和风扇构成，其由所述上位机内所述编制程序或自身按键控制流速为0.01-150.00mL/min。

根据本发明的一些实施方式，所述硅胶管为可更换的食品级软管，且与所述蠕动泵和所述真空泵分别对应，避免实验过程中的液体污染的同时适应不同的溶液和流速。

根据本发明的一些实施方式，所述储液装置内含有有味溶液和无味溶液，其中所述有味溶液可按照实验所需进行配置，所述无味溶液可为超纯水或蒸馏水，供冲洗口腔之用。

所述辅助集合部件为经所述硅胶管管口的集合软口结构，溶液在受试者的口腔内可准确定位，且每次在所述屏蔽室内扫描后更换。

根据本发明的一些实施方式，所述真空泵可通过所述硅胶管吸取受试者口腔内的刺激液体，避免实验过程中的吞咽行为。

本发明还提供了上述味觉刺激装置测试味觉刺激过程中人脑反应的方法，具体步骤如下：

(1)建立上位机与编程蠕动泵的通信：所述上位机安装USB驱动程序后，与所述编程蠕动泵通过所述RS－232转RS－485通信电缆经USB接口连接，启动编程蠕动泵和所述上位机内安装的编码程序，在所述自制界面上点击“连接”，提示“泵已连接”说明通信成功；

(2)设置味觉刺激范式：在所述自制界面设置和储存味觉刺激范式，选择刺激时间、顺序和刺激量，提交参数后点击开始进行预实验；

(3)味觉刺激实验：将所述辅助集合部件安置于受试者口腔中，进行1-2次的刺激预实验确认无误后，在fMRI和EEG数据采集的情况下，点击所述自制界面上的“开始”按钮进行味觉刺激。

根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中，所述刺激时间为0.5-60s，顺序为随机或重复，刺激量为0.1-10mL。

本发明还提供了上述味觉刺激装置在测试味觉刺激过程中人脑反应中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的味觉刺激装置可编程、可拓展且成本低，在fMRI和EEG实验期间快速注入少量的味觉溶液即可进行复杂的多维味觉实验，可与其他刺激范例和设备如响应记录系统接口，灵活性强。

2.本发明采用编程蠕动泵进行液体传输由于泵中与流体接触的唯一部分是管的内部，液体无污染，且易于消毒、清洁或更换。另外，液体经过雾化可以更大范围刺激舌面，避免过大液体对舌面造成触觉影响。

3.本发明的味觉刺激装置可以提高脑实验中味觉刺激的精确性，在脑研究方面具有较高的实用性和科学性，值得推广。

附图说明

图1为本发明中味觉刺激装置的系统结构框图，其中：1-上位机，2-RS－232转RS－485通信电缆，3-编程蠕动泵，4-储液装置，5-硅胶管，6-辅助集合部件，7-真空泵，8-控制室，9-屏蔽室。

图2为本发明味觉刺激装置的自制界面之一图片。

图3为本发明味觉刺激装置内编码程序操作流程图。

图4为本发明中编程蠕动泵的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行说明：

参见图1，本发明提供的味觉刺激装置，包括：

上位机1，安装有编码程序和自制界面；

四个编程蠕动泵3，经RS－232转RS－485通信电缆2与上位机1连接，通过上位机1上安装的编码程序和自制界面控制编程蠕动泵3的工作过程；

四个储液装置4，经硅胶管5分别与每个编程蠕动泵3的进液口对应连接；

辅助集合部件6，一端经硅胶管5与编程蠕动泵3的出液口连接，一端连接有硅胶管5，形成储液装置4内液体经编程蠕动泵3刺激后的液体输入通道，可直接插入受试者口腔内；

还包括连接有硅胶管5的真空泵，可直接插入受试者口腔内形成液体输出通道。

通过上述味觉刺激装置进行磁共振成像实验，辅助集合部件6和与其连接的硅胶管5处于磁共振检测用屏蔽室内，上位机1、编程蠕动泵3、储液装置4和真空泵7置于磁共振检测用屏蔽室外，避免其对磁共振成像的射频干扰(图1)。

参见图2和3，上位机1安装有通过Qt软件编码运用C语言编制程序和自制界面，可在界面上自行设置和储存味觉刺激范式，味觉刺激范式可以为随机顺序、定时、定量传送溶液(图2)。自制界面由程序执行步骤和详情步骤信息框、启动键、停止键、保存参数键、调试显示键、串口连接模块、模式配置模块和退出键构成，通过串口连接模块以更新端口实现通信，通过模式配置模块设计刺激时间、刺激间隔、刺激体积和循环次数(图3)。

参见图4，编程蠕动泵3由泵头、步进电机、电机驱动器、芯片、显示屏和风扇构成，通过RS－232转RS－485通信电缆2与上位机1连接实现通信，通过硅胶管5连接蠕动泵3一端至储液装置，蠕动泵3另一端至受试者；编程蠕动泵可以由上位机1通过程序驱动，也可以单独通过相应的控制操作按键进行流速控制，控制范围从0.01mL/min到150.00mL/min。

储液装置可以是各种形状、体积的多个容器，用于储存不同体积和种类的实验溶液。储液装置中的溶液分为有味溶液和无味溶液，有味溶液可按需配置，无味溶液可为超纯水或蒸馏水，供冲洗口腔之用。

硅胶管数量等于泵的数量(蠕动泵和真空泵)，以实现储液装置与蠕动泵硅胶进液口通硅胶管连接，蠕动泵硅胶出液口通过硅胶管连接辅助集合部件，每个蠕动泵分别连接和控制一个储液瓶，从而避免了实验过程中的液体污染。硅胶管可更换为可用于食品用途的任何品牌或尺寸的软管，使系统适应不同的溶液和流速。

辅助集合部件设计成可引导数条硅胶管管口的集合软口，并可替换，以使溶液可以更好地在受试者的嘴中定位。

真空泵通过硅胶管吸取受试者口中的刺激液体，以避免实验过程中的吞咽行为。

硅胶管和辅助集合部件是进入扫描仪区域的唯一部件，为了确保对与受试者接触的组件进行完全灭菌，辅助集合部件每次扫描前更换。

上述味觉刺激装置测试味觉刺激过程中人脑反应的方法，具体步骤如下：

(1)建立上位机与编程蠕动泵的通信：上位机安装USB驱动程序后，与编程蠕动泵通过RS－232转RS－485通信电缆经USB接口连接，启动编程蠕动泵和上位机内安装的编码程序，在自制界面上点击“连接”，提示“泵已连接”说明通信成功；

(2)设置味觉刺激范式：在自制界面设置和储存味觉刺激范式，选择刺激时间、顺序和刺激量，提交参数后点击开始进行预实验；

(3)味觉刺激实验：将辅助集合部件安置于受试者口腔中，进行1-2次的刺激预实验确认无误后，在fMRI和EEG数据采集的情况下，点击自制界面上的“开始”按钮进行味觉刺激。

在一实施方式中，步骤(2)中，刺激时间为0.5-60s，顺序为随机或重复，刺激量为0.1-10mL。

本发明还提供上述味觉刺激装置在测试味觉刺激过程中人脑反应中的应用。

本发明的味觉刺激装置可自由拆卸组装，不受场地限制，能够在标准味觉fMRI、EEG实验中给予被试者味觉适当且准确的刺激，使数据精准采集，满足研究者的需求。

实施例

构建四种溶液(其中三种为不同味道溶液，一种为蒸馏水)的刺激，上位机运行通过编制程序可以控制蠕动泵对三种溶液按照随机顺序、定时定量送入被试者口腔中；每次完成传输后定时启动控制蒸馏水的蠕动泵，传输定量的蒸馏水于被试者口腔中进行冲洗，再向被测试者口腔中送入下一种实验用液体，从一次有味刺激到一次无味刺激为一个循环，每种味道溶液重复8次，循环24次，具体包括：

通过上述味觉刺激装置，储液装置4通过硅胶管5与蠕动泵3进液口连接，蠕动泵3与上位机1以通信电缆2连接传输程序，蠕动泵5出液口通过硅胶管5进行液体输送，辅助集合部件6将液体集合送入受试者口腔，受试者口腔中另有一根硅胶管5连接真空泵7将刺激液体吸出，上位机1通过编制程序和自制界面控制蠕动泵3的工作过程。

自制界面由程序执行步骤和详情步骤信息框、启动键、停止键、保存参数键、调试显示键、串口连接模块、模式配置模块和退出键构成，通过串口连接模块以更新端口实现通信，通过模式配置模块设计实验需要的刺激时间600ms、刺激间隔15s、刺激体积1mL和循环次数24次。

蠕动泵部件由泵头、步进电机、电机驱动器、芯片、显示屏、风扇构成，如图4所示，通信电缆连接上位机与蠕动泵实现通信，硅胶管连接蠕动泵到储液瓶，蠕动泵到受试者，在实验过程中可以高流量精确输送溶液。蠕动泵由计算器通过程序驱动，运用蠕动泵的设计可防止回流效应，确保实验精度。

三个蠕动泵需要按随机顺序在600ms内流出1mL有味液体，同一时刻只有一个蠕动泵启动，传输对应储液瓶中的溶液刺激被试者，在刺激完成15s后，控制无味溶液的蠕动泵启动，在600ms内流出1mL无味液体以清洗受试者口腔，此为一个循环，循环24次以完成依次针对三种液体的味觉实验。

蠕动泵可采用联合众为公司的产品，但不限于此；RS-232转RS-485通信电缆可以采用深圳市科盛电脑技术有限公司的产品，但不限于此；储液装置可以包括四个500mL的储液瓶，实验过程中可以输送实验所需体积的溶液，储液装置中的溶液分为有味溶液三个和无味溶液一个，有味溶液可按需配置，无味溶液可为超纯水或蒸馏水，供冲洗口腔之用。

硅胶管的数量各为3米3×5mm硅胶管四根，1米3×5mm硅胶管四根，3米2×4mm硅胶管一根，以实现储液装置与蠕动泵硅胶进液口通过1米3×5mm硅胶管连接，蠕动泵硅胶出液口通过3米3×5mm硅胶管连接辅助集合部件，刺激液体通过3米2×4mm硅胶管在真空泵作用下吸出。每个蠕动泵分别连接和控制一个储液瓶，从而避免了实验过程中的液体污染，硅胶管可更换为可用于食品用途的任何品牌或尺寸的软管，使系统适应不同的溶液和流速。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种味觉刺激装置，其特征在于，包括：

上位机，安装有编码程序和自制界面；

若干个编程蠕动泵，经RS－232转RS－485通信电缆与所述上位机连接，通过所述上位机上安装的编码程序和自制界面控制所述编程蠕动泵的工作过程；

若干个储液装置，经硅胶管分别与所述编程蠕动泵的进液口对应连接；

辅助集合部件，一端经硅胶管与所述编程蠕动泵的出液口连接，另一端连接有所述硅胶管，形成所述储液装置内的液体经所述编程蠕动泵刺激后的液体输入通道，可直接插入受试者口腔内；

还包括连接有所述硅胶管的真空泵，可直接插入受试者口腔内形成液体输出通道。

2.根据权利要求1所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述上位机内的编码程序是由Qt软件编码并运用C语言编制，可通过在所述自制界面设置和储存味觉刺激范式，且所述味觉刺激范式可对包括但不限于刺激时间、顺序和刺激量参数进行调节。

3.根据权利要求1或2所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述上位机内的自制界面由程序执行步骤和详情步骤信息框、启动键、停止键、保存参数键、调试显示键、串口连接模块、模式配置模块和退出键构成，通过所述串口连接模块更新端口实现通信，通过所述模式配置模块设计包括但不限于刺激时间、刺激间隔、刺激体积和循环次数。

4.根据权利要求1所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述编程蠕动泵由泵头、步进电机、电机驱动器、芯片、显示屏和风扇构成，其由所述上位机内所述编制程序或自身按键控制流速为0.01-150.00mL/min。

5.根据权利要求1所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述硅胶管为可更换的食品级软管，且与所述蠕动泵和所述真空泵分别对应。

6.根据权利要求1所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述储液装置内含有有味溶液和无味溶液，其中：所述有味溶液可按需配置，所述无味溶液可为超纯水或蒸馏水。

7.根据权利要求1所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述辅助集合部件为经所述硅胶管管口的集合软口结构，溶液在受试者的口腔内可准确定位，且每次在所述屏蔽室内扫描后更换。

8.根据权利要求1至7任一项所述的味觉刺激装置，其特征在于，所述上位机、编程蠕动泵、储液装置和真空泵均位于控制室内，所述辅助集合部件和与其连接的硅胶管位于屏蔽室内。

9.权利要求1至7任一项所述的味觉刺激装置测试味觉刺激过程中人脑反应的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立上位机与编程蠕动泵的通信：所述上位机安装USB驱动程序后，与所述编程蠕动泵通过所述RS－232转RS－485通信电缆经USB接口连接，启动编程蠕动泵和所述上位机内安装的编码程序，在所述自制界面上点击“连接”，提示“泵已连接”说明通信成功；

(2)设置味觉刺激范式：在所述自制界面设置和储存味觉刺激范式，选择刺激时间为0.5-60s、顺序为随机或重复和刺激量为0.1-10mL，提交参数后点击开始进行预实验；

(3)味觉刺激实验：将所述辅助集合部件安置于受试者口腔中，进行1-2次的刺激预实验确认无误后，在功能磁共振成像(fMRI)和脑电图(EEG)数据采集的情况下点击所述自制界面上的“开始”按钮进行味觉刺激。

10.权利要求1至7任一项所述的味觉刺激装置在测试味觉刺激过程中人脑反应中的应用。

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