CN111729194A - 一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种经颅交流电刺激的自反馈波形产生系统及方法，包括：信号采集模块，采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；信号标注模块，分别对各实测脑电信号进行标注得到标注脑电信号；存储服务器，分类存储各标注脑电信号；信号分析模块，根据各标注脑电信号生成受测者的脑波周期变化趋势；第一处理模块，在脑波周期变化趋势表示受测者的脑部出现病变时，输出受测者关联的所有标注脑电信号，医生选择一标注脑电信号作为原始刺激信号；第二处理模块，对原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的原始刺激信号作为刺激信号作用于受测者对应的采集脑区。有益效果是具有较强的自适应性，能够有针对性的对受测者进行非药物辅助治疗。

Description

一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统及方法

技术领域

本发明涉及经颅交流电刺激技术领域，尤其涉及一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统。

背景技术

阿兹海默症(AD)是老龄人群中发病率较高的一类很难逆转的退行性疾病，引起阿兹海默症(AD)的因素一直在探索中；贝塔淀粉样蛋白寡聚体及血脑屏障损伤等亦其中的诱因假设。一些研究发现阿兹海默症(AD)症患者的大脑皮层会出现异常阵发性放电，同时亦发现经颅交流电刺激(tACS)对大脑认知功能调控是一种非侵入性的有效治疗手段。tACS刺激方式被证实能提升θ和δ节律PAC(相位-幅值耦合)，辅助治疗AD人群，提高生活质量。

现有tACS刺激方式主要是对单一脑区的单一频率或交叉频率刺激，这种刺激波形主要是外加人工设计的脑电波对AD患者脑部进行刺激达到辅助治疗的目的，但上述刺激波形通常为tACS仪器的通用波形，缺乏对每个AD患者的针对性的刺激波形，大大降低了tACS刺激方式的辅助治疗效果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统，具体包括：

信号采集模块，用于采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；

信号标注模块，连接所述信号采集模块，用于分别对各所述实测脑电信号进行标注得到标注有所述受测者的基本信息、所述脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段的标注脑电信号；

存储服务器，连接所述信号标注模块，用于以所述当前年龄阶段为索引分类存储各所述标注脑电信号；

信号分析模块，连接所述存储服务器，用于针对每个所述受测者，根据所述基本信息提取所述受测者在各所述年龄阶段的所述标注脑电信号，并根据各所述标注脑电信号生成所述受测者的脑波周期变化趋势；

第一处理模块，连接所述信号分析模块，用于在所述脑波周期变化趋势表示所述受测者的脑部出现病变时，输出所述受测者关联的所有所述标注脑电信号，以供医生选择所述受测者关联的健康时期的一所述标注脑电信号作为原始刺激信号；

第二处理模块，连接所述第一处理模块，用于对所述原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的所述原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于所述受测者对应的所述采集脑区。

优选的，所述第二处理模块中预设有一预先训练形成的神经网络模型；

所述原始刺激信号输入至所述神经网络模型中，经过所述神经网络模型的处理后输出为经过调整后的所述原始刺激信号，以使所述原始刺激信号更接近于脑内的真实脑电波信号的波形特征。

优选的，还包括一模型生成模块，连接所述第二处理模块，所述模型生成模块包括：

信号获取单元，用于预先获取若干所述原始刺激信号以及对应于各所述原始刺激信号的脑内的真实脑电波信号；

模型训练单元，连接所述信号获取单元，用于将所述原始刺激信号作为输入，将对应的所述真实脑电波信号作为输出训练得到所述神经网络模型并保存至所述第二处理模块中。

优选的，所述信号采集模块包括：

采集单元，用于采集各所述受测者在不同年龄阶段的原始脑电信号；

滤波单元，连接所述采集单元，用于分别对各所述原始脑电信号进行滤波处理得到所述实测脑电信号。

优选的，还包括特征提取模块，连接所述信号标注模块，所述特征提取模块包括：

特征提取单元，用于对所述受测者的所有所述实测脑电信号进行特征提取得到对应的特征值；

特征选取单元，连接所述特征提取单元，用于提取最大的所述特征值作为对应的所述实测脑电信号的所述基本信息，所述信号标注模块根据所述基本信息对所述实测脑电信号进行标注。

优选的，所述特征值为所述实测脑电信号的波幅，或频率，或波长。

优选的，所述基本信息还包括所述受测者的姓名，和/或身份证号，和/或所属家族。

优选的，所述存储服务器包括若干存储区域，具有相同所述当前年龄阶段的所述标注脑电信号加入同一所述存储区域以进行分类存储。

优选的，所述第一处理模块包括：

处理单元，用于根据所述脑波周期变化趋势处理得到各所述标注脑电信号的衰减速率；

比较单元，连接所述处理单元，用于将所述衰减速率与预设的衰减阈值进行比较，并在所述衰减速率不小于所述衰减阈值时表示所述受测者的脑部出现病变，输出所述受测者关联的所有所述标注脑电信号，以供医生选择所述受测者关联的健康时期的一所述标注脑电信号作为原始刺激信号。

一种经颅交流电刺激的刺激信号产生方法，应用于以上任意一项所述的刺激信号产生系统，所述刺激信号产生方法包括以下步骤：

步骤S1，所述刺激信号产生系统采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；

步骤S2，所述刺激信号产生系统分别对各所述实测脑电信号进行标注得到标注有所述受测者的基本信息、所述脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段的标注脑电信号；

步骤S3，所述刺激信号产生系统针对每个所述受测者，根据所述基本信息提取所述受测者在各所述年龄阶段的所述标注脑电信号，并根据各所述标注脑电信号生成所述受测者的脑波周期变化趋势；

步骤S4，所述刺激信号产生系统在所述脑波周期变化趋势表示所述受测者的脑部出现病变时，输出所述受测者关联的所有所述标注脑电信号，以供医生选择所述受测者关联的健康时期的一所述标注脑电信号作为原始刺激信号；

步骤S5，所述刺激信号产生系统对所述原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的所述原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于所述受测者对应的所述采集脑区。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1)通过提取并保存受测者不同年龄阶段的脑电波信号，在受测者出现阿兹海默症的症状时，提取自身的健康时期的脑电波信号作为经颅交流电刺激的刺激信号，具有较强的自适应性，能够有针对性的对受测者进行非药物辅助治疗；

2)通过对受测者标注包括所属家族的基本信息，能够在受测者自身健康时期的脑电波信号缺失时，提取同家族年轻人健康时期的脑电波信号作为受测者的经颅交流电刺激的刺激信号，有效提升适用性；

3)通过预先训练得到的神经网络模型对提取的原始刺激波形进行处理，以使得采用自反馈波形作为刺激信号时，到达脑内的脑电信号更接近对应的脑内脑电信号，以达到更好的刺激效果。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统的结构示意图；

图2为本发明的较佳的实施例中，一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统的系统架构图；

图3为本发明的较佳的实施例中，一种经颅交流电刺激的刺激信号产生方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统，如图1所示，具体包括：

信号采集模块1，用于采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；

信号标注模块2，连接信号采集模块1，用于分别对各实测脑电信号进行标注得到标注有受测者的基本信息、脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段的标注脑电信号；

存储服务器3，连接信号标注模块2，用于以当前年龄阶段为索引分类存储各标注脑电信号；

信号分析模块4，连接存储服务器3，用于针对每个受测者，根据基本信息提取受测者在各年龄阶段的标注脑电信号，并根据各标注脑电信号生成受测者的脑波周期变化趋势；

第一处理模块5，连接信号分析模块4，用于在脑波周期变化趋势表示受测者的脑部出现病变时，输出受测者关联的所有标注脑电信号，以供医生选择受测者关联的健康时期的一标注脑电信号作为原始刺激信号；

第二处理模块6，连接第一处理模块5，用于对原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于受测者对应的采集脑区。

具体地，本实施例中，本发明通过提取个人健康(年轻)时期的脑电信号(包括频率、振幅等)，存储脑电信号数据在存储服务器(或私有云)上，以建立个人脑电数据库。每隔一定时间定期提取个人脑电数据，评测脑电变化，在年纪较大时或AD即将出现时，提取在存储服务器的个人脑电信号(波形减少的部分波形，及有助于脑功能改善的波形)经过人工智能方式处理后的有效波形反馈给患者自己进行tACS刺激。通过利用原有自主产生的健康波形对自己刺激，自适应性比较好。即用自己年轻时健康波形补偿老年时丢失的波形从而帮助AD人群提升生活质量。刺激方式可以以多脑区、多波形或符合波形进行刺激(刺激脑区与健康时采样脑区一一对应)，避免采用TACS仪器共有波形进行刺激。对具有AD家族史的病人，本发明亦可从年轻下一代脑区提取健康有效波形，经上述处理后反馈给家族AD老年人进行辅助治疗。

换言之，本发明通过存储患者自己年轻(健康)时及自己家族年轻人(健康人)的脑电波波形在存储服务器内，使用时再提取相应的波形数据。通过经颅交流电刺激tACS刺激方式(多脑区，多频段，或耦合)，进行反馈刺激，有针对性的对AD患者进行非药物辅助治疗或延缓AD发生。

进一步地，可以通过脑电帽采集受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号，即每隔一定时期对受测者的实测脑电信号进行采集，上述一定时期优选为在受测者年轻期时每10年测试一次，如依次在20岁、30岁、40岁和50岁时进行实测脑电信号的采集，在受测者老年期时每5年测试一次，如依次在60岁、65岁和70岁进行实测脑电信号的采集，以此类推。

在获取上述实测脑电信号后，优选对各实测脑电信号进行标注以便后续进行信号提取使用，上述标注包括标注受测者的基本信息、脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段；通过标注基本信息方便提取单个受测者关联的所有实测脑电信号；通过标注采集脑区方便后续进行经颅交流电刺激时，将提取的实测脑电信号作用于对应的采集脑区，使得刺激信号的作用更具针对性，以提升刺激效果；通过标注当前年龄阶段，方便后续根据当前年龄阶段进行分类存储。

进一步地，优选将属于同一年龄阶段的各个实测脑电信号存储在同一存储区域，方便医生进行统一查看。由于随着受测者的年龄的增长，脑电信号在老年期会出现衰减趋势，且在脑部出现阿兹海默症病变时脑电信号的衰减速率较正常衰老时的脑电信号的衰减速率更快，因此通过对每个受测者的不同年龄阶段的标注脑电信号进行变化趋势分析，优选通过分析脑电信号的衰减速率能够及时发现受测者的脑部是否出现病变，以便及时进行辅助治疗。

在脑波周期变化趋势表示受测者的脑部出现病变时，将该受测者关联的健康时期的所有标注脑电信号均发送给医生，由医生选择一最佳的标注脑电信号作为经颅交流电刺激的原始刺激信号。由于脑内与脑外之间间隔有脑壳、硬脑膜、蛛网膜及软脑膜，脑内的真实脑电波信号传输至脑外时会出现信号的衰减或波动，即实测脑电信号与脑内的真实脑电波信号之间具有一定的差异性，为保证最终脑内接收到的脑电信号更接近于脑内的真实脑电波信号，在进行经颅交流电刺激之前，通过预先训练得到的神经网络模型对原始刺激信号进行调整，经过调整后的原始刺激信号更接近于对应的脑内的真实脑电波信号，将调整后的原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于受测者对应的采集脑区具有更好的刺激效果。

本发明的较佳的实施例中，第二处理模块6中预设有一预先训练形成的神经网络模型；

原始刺激信号输入至神经网络模型中，经过神经网络模型的处理后输出为经过调整后的原始刺激信号，以使原始刺激信号更接近于脑内的真实脑电波信号的波形特征。

本发明的较佳的实施例中，还包括一模型生成模块7，连接第二处理模块6，模型生成模块7包括：

信号获取单元71，用于预先获取若干原始刺激信号以及对应于各原始刺激信号的脑内的真实脑电波信号；

模型训练单元72，连接信号获取单元71，用于将原始刺激信号作为输入，将对应的真实脑电波信号作为输出训练得到神经网络模型并保存至第二处理模块中。

本发明的较佳的实施例中，信号采集模块1包括：

采集单元11，用于采集各受测者在不同年龄阶段的原始脑电信号；

滤波单元12，连接采集单元11，用于分别对各原始脑电信号进行滤波处理得到实测脑电信号。

本发明的较佳的实施例中，还包括特征提取模块8，连接信号标注模块2，特征提取模块8包括：

特征提取单元81，用于对受测者的所有实测脑电信号进行特征提取得到对应的特征值；

特征选取单元82，连接特征提取单元81，用于提取最大的特征值作为对应的实测脑电信号的基本信息，信号标注模块根据基本信息对实测脑电信号进行标注。

具体地，本实施例中，通过标注特征值能够更好地反应实测脑电信号的变化趋势。

本发明的较佳的实施例中，特征值为实测脑电信号的波幅，或频率，或波长。

本发明的较佳的实施例中，基本信息还包括受测者的姓名，和/或身份证号，和/或所属家族。

本发明的较佳的实施例中，存储服务器3包括若干存储区域31，具有相同当前年龄阶段的标注脑电信号加入同一存储区域31以进行分类存储。

本发明的较佳的实施例中，第一处理模块5包括：

处理单元51，用于根据脑波周期变化趋势处理得到各标注脑电信号的衰减速率；

比较单元52，连接处理单元51，用于将衰减速率与预设的衰减阈值进行比较，并在衰减速率不小于衰减阈值时表示受测者的脑部出现病变，输出受测者关联的所有标注脑电信号，以供医生选择受测者关联的健康时期的一标注脑电信号作为原始刺激信号。

本发明的一个较佳的实施例中，如图2所示，本发明的经颅交流电刺激的刺激信号产生系统的系统架构主要包括依次连接的数据采集层100、数据传输层101、存储层102以及应用层103，其中，数据采集层100包括上述数据采集模块1及信号标注模块2，优选为脑电帽以及对应的电极；数据传输层101的数据传输方式可以是有线方式，也可以是无线方式；存储层102为上述存储服务器3，数据采集层100通过数据传输层101将标注后的标注脑电信号上传至存储层102进行保存；应用层103包括上述信号分析模块4、第一处理模块5和第二处理模块6，通过应用层103实现标注脑电信号的分析和处理，最终输出经过调整后的原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于受测者对应的采集脑区。

一种经颅交流电刺激的刺激信号产生方法，应用于以上任意一项的刺激信号产生系统，如图3所示，刺激信号产生方法包括以下步骤：

步骤S1，刺激信号产生系统采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；

步骤S2，刺激信号产生系统分别对各实测脑电信号进行标注得到标注有受测者的基本信息、脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段的标注脑电信号；

步骤S3，刺激信号产生系统针对每个受测者，根据基本信息提取受测者在各年龄阶段的标注脑电信号，并根据各标注脑电信号生成受测者的脑波周期变化趋势；

步骤S4，刺激信号产生系统在脑波周期变化趋势表示受测者的脑部出现病变时，输出受测者关联的所有标注脑电信号，以供医生选择受测者关联的健康时期的一标注脑电信号作为原始刺激信号；

步骤S5，刺激信号产生系统对原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于受测者对应的采集脑区。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种经颅交流电刺激的刺激信号产生系统，其特征在于，具体包括：

信号采集模块，用于采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；

信号标注模块，连接所述信号采集模块，用于分别对各所述实测脑电信号进行标注得到标注有所述受测者的基本信息、所述脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段的标注脑电信号；

存储服务器，连接所述信号标注模块，用于以所述当前年龄阶段为索引分类存储各所述标注脑电信号；

信号分析模块，连接所述存储服务器，用于针对每个所述受测者，根据所述基本信息提取所述受测者在各所述年龄阶段的所述标注脑电信号，并根据各所述标注脑电信号生成所述受测者的脑波周期变化趋势；

第一处理模块，连接所述信号分析模块，用于在所述脑波周期变化趋势表示所述受测者的脑部出现病变时，输出所述受测者关联的所有所述标注脑电信号，以供医生选择所述受测者关联的健康时期的一所述标注脑电信号作为原始刺激信号；

第二处理模块，连接所述第一处理模块，用于对所述原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的所述原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于所述受测者对应的所述采集脑区。

2.根据权利要求1所述的刺激信号产生系统，其特征在于，所述第二处理模块中预设有一预先训练形成的神经网络模型；

所述原始刺激信号输入至所述神经网络模型中，经过所述神经网络模型的处理后输出为经过调整后的所述原始刺激信号，以使所述原始刺激信号更接近于脑内的真实脑电波信号的波形特征。

3.根据权利要求2所述的刺激信号产生系统，其特征在于，还包括一模型生成模块，连接所述第二处理模块，所述模型生成模块包括：

信号获取单元，用于预先获取若干所述原始刺激信号以及对应于各所述原始刺激信号的脑内的真实脑电波信号；

模型训练单元，连接所述信号获取单元，用于将所述原始刺激信号作为输入，将对应的所述真实脑电波信号作为输出训练得到所述神经网络模型并保存至所述第二处理模块中。

4.根据权利要求1所述的刺激信号产生系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：

采集单元，用于采集各所述受测者在不同年龄阶段的原始脑电信号；

滤波单元，连接所述采集单元，用于分别对各所述原始脑电信号进行滤波处理得到所述实测脑电信号。

5.根据权利要求1所述的刺激信号产生系统，其特征在于，还包括特征提取模块，连接所述信号标注模块，所述特征提取模块包括：

特征提取单元，用于对所述受测者的所有所述实测脑电信号进行特征提取得到对应的特征值；

特征选取单元，连接所述特征提取单元，用于提取最大的所述特征值作为对应的所述实测脑电信号的所述基本信息，所述信号标注模块根据所述基本信息对所述实测脑电信号进行标注。

6.根据权利要求5所述的刺激信号产生系统，其特征在于，所述特征值为所述实测脑电信号的波幅，或频率，或波长。

7.根据权利要求5所述的刺激信号产生系统，其特征在于，所述基本信息还包括所述受测者的姓名，和/或身份证号，和/或所属家族。

8.根据权利要求1所述的刺激信号产生系统，其特征在于，所述存储服务器包括若干存储区域，具有相同所述当前年龄阶段的所述标注脑电信号加入同一所述存储区域以进行分类存储。

9.根据权利要求1所述的刺激信号产生系统，其特征在于，所述第一处理模块包括：

处理单元，用于根据所述脑波周期变化趋势处理得到各所述标注脑电信号的衰减速率；

比较单元，连接所述处理单元，用于将所述衰减速率与预设的衰减阈值进行比较，并在所述衰减速率不小于所述衰减阈值时表示所述受测者的脑部出现病变，输出所述受测者关联的所有所述标注脑电信号，以供医生选择所述受测者关联的健康时期的一所述标注脑电信号作为原始刺激信号。

10.一种经颅交流电刺激的刺激信号产生方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任意一项所述的刺激信号产生系统，所述刺激信号产生方法包括以下步骤：

步骤S1，所述刺激信号产生系统采集若干受测者在不同年龄阶段的实测脑电信号；

步骤S2，所述刺激信号产生系统分别对各所述实测脑电信号进行标注得到标注有所述受测者的基本信息、所述脑电信号的采集脑区以及当前年龄阶段的标注脑电信号；

步骤S3，所述刺激信号产生系统针对每个所述受测者，根据所述基本信息提取所述受测者在各所述年龄阶段的所述标注脑电信号，并根据各所述标注脑电信号生成所述受测者的脑波周期变化趋势；

步骤S4，所述刺激信号产生系统在所述脑波周期变化趋势表示所述受测者的脑部出现病变时，输出所述受测者关联的所有所述标注脑电信号，以供医生选择所述受测者关联的健康时期的一所述标注脑电信号作为原始刺激信号；

步骤S5，所述刺激信号产生系统对所述原始刺激信号进行调整，并将经过调整后的所述原始刺激信号作为经颅交流电刺激的刺激信号作用于所述受测者对应的所述采集脑区。

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