CN111840801B - 基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统，是根据生物体神经电信号时频特征设置的变频变强度磁刺激作用于生物体，包括有依次连接的：用于在实施磁刺激之前采集生物体神经电信号的神经电信号采集模块，用于提取神神经电信号的时频特征的神经电信号时频分析模块，用于设置变频变强度磁刺激参数的控制模块，用于根据接收的控制信号产生相应的脉冲信号的磁刺激器主机和用于接收脉冲信号并向生物体输出磁刺激的线圈，所述控制模块的信号输入端还连接刺激强度设置模块。本发明根据生物体原有的时频特征进行磁刺激，将产生更有说服力的调控效果，基于信号共振的原理，本发明能激发脑内多个频段信号的共振，实现更加优良的调控效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种变频变强度磁刺激系统。特别是涉及一种经颅磁刺激重复频率和刺激强度随时间变化的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统。
背景技术
重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)是一种脑刺激技术，广泛应用于脑功能、脑网络及脑回路等研究。
重复频率是rTMS脑研究的重要参数。通常认为，高频rTMS用于易化皮层兴奋性，低频rTMS用于抑制皮层兴奋性。在实际研究中，通常是根据观察刺激效果或者已有文献中的研究结果，设置一个固定的重复频率进行刺激。脑神经节律的振荡频率通常为1-100Hz，然而，固定频率下的重复刺激通常只能与特定频段的神经振荡形成共振，对于其他频段的神经振荡则可能不具有明显的刺激作用。脑功能通常是由多个节律的振荡共同形成的。因此，在进行经颅磁刺激脑功能研究时，采用固定频率的重复刺激只能与特定频段神经振荡形成共振，并不能完全与脑功能相关的所有神经振荡进行共振，刺激效果具有一定局限性。采用固定强度的重复刺激对于所有神经振荡的调控程度是一样的，无法针对不同神经振荡形成不同强度的经颅磁刺激调控作用，刺激效果具有一定局限性。
因此，已有固定重复频率磁刺激只能与特定频段神经振荡形成共振、已有固定刺激强度只能对不同神经振荡形成相同强度磁刺激的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能更加有效地调控神经元活动的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统，是根据生物体神经电信号时频特征设置的变频变强度磁刺激作用于生物体，包括有依次连接的：用于在实施磁刺激之前采集生物体神经电信号的神经电信号采集模块，用于提取神神经电信号的时频特征的神经电信号时频分析模块，用于设置变频变强度磁刺激参数的控制模块，用于根据接收的控制信号产生相应的脉冲信号的磁刺激器主机和用于接收脉冲信号并向生物体输出磁刺激的线圈，所述控制模块的信号输入端还连接刺激强度设置模块。
所述的神经电信号采集模块，是在实施磁刺激之前通过采集探头采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号，采集时长为1-20s，采样频率s为512-2kHz，采集到的神经电信号输出至神经电信号时频分析模块。
所述的采集探头采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号，是在生物体静息态或任务态下采集的生物体磁刺激靶点处的神经电信号。
所述的神经电信号时频分析模块是由第一可编程控制器构成，用于将采集到的神经电信号进行时频分析，包括进行如下步骤：
(2.1)将采集到的神经电信号X分为m个数据段，每个数据段包含n个数据点，每个数据点的幅值表示为xij，i＝1,…,n，j＝1,…,m，第j个数据段中第i个数据点对应的时间点为tij，tij＝(j-1)×n+i，神经电信号X对应的时间序列为T，T＝{tij}送入控制模块；
(2.2)将各数据段进行傅里叶变换，得到每个数据段的频率序列和能量序列，频率序列和能量序列的长度相等，记为h，每个频率序列包含h个频率值，每个能量序列包含h个能量值，每个数据段傅里叶变换后的频率序列相同，第k个频率值为sk＝s/(h-k)，第j个数据段中的第k个频率值对应的能量值为Ykj；
(2.3)提取各个数据段最大能量值对应的频率值，即为各个数据段的信号主频，从而得到神经电信号X的主频序列F＝{f0,f1,...fm}并送入控制模块；
(2.4)对所有数据段的能量最大值进行归一化，得到各个数据段的强度因子，形成强度因子序列L＝{l0,l1,...lm}并送入控制模块。
所述的控制模块，是由第二可编程控制器构成，用于设置用于设置变频变强度磁刺激参数，包括进行如下步骤：
(3.1)将所接收的主频序列F＝{f0,f1,...fm}设置为随时间变化的磁刺激的重复频率序列，将所接收的强度因子序列L＝{l0,l1,...lm}设置为磁刺激的强度系数序列；
(3.2)接收刺激强度设置模块输出的磁刺激的刺激强度，并将所述的刺激强度与强度因子序列相乘，得到随时间变化的实际的刺激强度序列；
(3.3)输出所述的随时间变化的磁刺激的重复频率序列、随时间变化的实际的刺激强度序列以及所接收的时间序列，所述的时间序列作为随时间变化的磁刺激的重复频率序列和随时间变化的实际的刺激强度序列的刺激时刻。
所述的磁刺激器主机将接收的随时间变化的磁刺激的重复频率序列和随时间变化的实际的刺激强度序列按照所接收的时间序列输出给线圈，所述的线圈产生重复频率随时间变化、实际刺激强度随时间变化的磁刺激作用于生物体。
本发明的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统，将根据生物体神经电信号时频特征设置的变频变强度磁刺激作用于生物体，采用与生物体神经振荡时频特征相似的重复频率和刺激强度能够与脑内神经振荡形成更贴合的共振，能更加有效地调控神经元活动，为重复经颅磁刺激重复频率的选择提供新的方案，为重复经颅磁刺激用于脑刺激提供新的思路和方法。本发明从生物体神经电信号中提取出随时间变化的主频序列和强度因子，用于设置磁刺激的重复频率和强度系数，一方面改变了传统磁刺激根据经验设置重复频率的模式，根据生物体原有的时频特征进行磁刺激，将产生更有说服力的调控效果，另一方面改变了传统磁刺激仅采用单一重复频率的刺激模式，基于信号共振的原理，本发明能激发脑内多个频段信号的共振，实现更加优良的调控效果。
附图说明
图1是本发明基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统构成框图。
图中
1：神经电信号采集模块 2：神经电信号时频分析模块
3：控制模块 4：磁刺激器主机
5：线圈 6：刺激强度设置模块
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统，是根据生物体神经电信号时频特征设置的变频变强度磁刺激作用于生物体，包括有依次连接的：用于在实施磁刺激之前采集生物体神经电信号的神经电信号采集模块1，用于提取神神经电信号的时频特征的神经电信号时频分析模块2，用于设置变频变强度磁刺激参数的控制模块3，用于根据接收的控制信号产生相应的脉冲信号的磁刺激器主机5和用于接收脉冲信号并向生物体输出磁刺激的线圈6，所述控制模块3的信号输入端还连接刺激强度设置模块4。其中：
1)所述的神经电信号采集模块1，是在实施磁刺激之前通过采集探头采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号，采集到的神经电信号输出至神经电信号时频分析模块2。所述的神经电信号采集模块1，可采用Neuroscan脑电信号采集系统或Biosemi Active Two脑电采集系统。
所述的生物体磁刺激靶点可在实施过程中根据具体的研究目标选取，例如研究目标为手部运动功能时，选取运动皮层的刺激靶点，具体可选择中央前回，在脑电导联C3附近，并可根据实际的手部反映，对靶点位置进行微调。
本发明选取一个刺激靶点，采集靶点处的神经电信号X，为单通道神经电信号，针对单通道神经电信号，本发明的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统具备良好的可行性；若设定多个刺激靶点，可采用多个本发明所述的系统并行处理。
采样时长和采样频率的确定需考虑信号的时域平稳性和频域分辨率。采样时长过长时，容易破坏信号的时域平稳性。频域分辨率与采样频率成反比，与采样点数成正比。综合考虑信号的时域平稳性和频域分辨率，本发明设定采集时长为1-20s，采样频率s为512-2kHz。信号的时域平稳性和频域分辨率是确保本发明顺利实施的保障。
所述的采集探头采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号，是在生物体静息态或任务态下采集的生物体磁刺激靶点处的神经电信号。具体可根据实际的研究目标进行选取。例如，在静息态下采集运动皮层靶点处的神经电信号，根据本发明所述系统获取运动皮层静息态下的时频特征，产生基于静息态时频特征的变频变强度磁刺激，可作用于静息态运动皮层，实现对静息态运动皮层的加强，也可作用于任务态运动皮层，实现对任务态运动皮层的弱化；另一方面，在任务态下采集运动皮层靶点处的神经电信号，以在手部运动过程中采集运动皮层靶点处的神经电信号为例，则可根据本发明所述系统获取手部运动过程中的时频特征，进而产生基于任务态的变频变强度磁刺激，可作用于静息态运动皮层，即采用任务态时频特征的磁刺激调控静息态运动皮层；也可作用于任务态运动皮层，即采用任务态时频特征的磁刺激加强对任务态运动皮层的调控。
2)所述的神经电信号时频分析模块2是由第一可编程控制器构成，用于将采集到的神经电信号进行时频分析，包括进行如下步骤：
(2.1)将采集到的神经电信号X分为m个数据段，每个数据段包含n个数据点，每个数据点的幅值表示为xij，i＝1,…,n，j＝1,…,m，第j个数据段中第i个数据点对应的时间点为tij，tij＝(j-1)×n+i，神经电信号X对应的时间序列为T，T＝{tij}送入控制模块3；
(2.2)将各数据段进行傅里叶变换，得到每个数据段的频率序列和能量序列，频率序列和能量序列的长度相等，记为h，每个频率序列包含h个频率值，每个能量序列包含h个能量值，每个数据段傅里叶变换后的频率序列相同，第k个频率值为sk＝s/(h-k)，第j个数据段中的第k个频率值对应的能量值为Ykj；
(2.3)提取各个数据段最大能量值对应的频率值，即为各个数据段的信号主频，从而得到神经电信号X的主频序列F＝{f0,f1,...fm}并送入控制模块3；
(2.4)对所有数据段的能量最大值进行归一化，得到各个数据段的强度因子，形成强度因子序列L＝{l0,l1,...lm}并送入控制模块3。
神经电信号时频分析模块2的主要目的是从采集到的神经信号中提取出对应的频率序列和强度因子，若将采集到的神经电信号X整体进行时频分析，则只能得到在整个时间段内的频率序列和各个频率对应能量值，不是随时间变化的频率和能量值。因此，本发明提出首先将采集到的神经电信号进行分段，然后对各段神经电信号进行时频分析，提取各个时间段的信号主频和能量最大值，最终形成随时间变化的频率序列和能量最大值序列；
根据所有时间段的能量最大值进行归一化，具体是找出所有时间段的能量最大值中的最大值，将该最大值所在时间段的强度因子设置为1，计算其他各时间段能量最大值与该最大值的比值，作为其他各时间段的强度因子，最终形成强度因子序列。
傅里叶变换是本领域内常用的频谱变换技术，傅里叶变换公式为：
其中f(t)为采集的神经电信号，ω为频率序列，F(ω)为每个频率点对应的幅值，|F(ω)|2为每个频率点对应的能量值。
神经电信号时频分析模块2，是可编程控制器，具体可采用XILINX公司的FPGA板，型号：ULTRASCALE+fFZ3B或AX7020。使用方法：首先根据傅里叶变换公式和本发明所述时频分析方法编写基于C语言的算法，将该算法转换成FPGA能识别的汇编语言，写入FPGA程序存储器ROM；然后将采集到的神经电信号通过USB接口输入至FPGA，执行预先存储的时频分析程序，即可获得随时间变化的主频序列、强度因子序列以及时间序列。
3)所述的控制模块3，是由第二可编程控制器构成，用于设置变频变强度磁刺激参数，包括进行如下步骤：
(3.1)将所接收的主频序列F＝{f0,f1,...fm}设置为随时间变化的磁刺激的重复频率序列，将所接收的强度因子序列L＝{l0,l1,...lm}设置为磁刺激的强度系数序列；
(3.2)接收刺激强度设置模块4输出的磁刺激的刺激强度，并将所述的刺激强度与强度因子序列相乘，得到随时间变化的实际的刺激强度序列；
(3.3)输出所述的随时间变化的磁刺激的重复频率序列、随时间变化的实际的刺激强度序列以及所接收的时间序列，所述的时间序列作为随时间变化的磁刺激的重复频率序列和随时间变化的实际的刺激强度序列的刺激时刻。
控制模块3，也是采用可编程控制器，例如XILINX公司的FPGA板，型号：ULTRASCALE+fFZ3B或AX7020。根据本发明所述方法编写算法，并转换为FPGA可识别的汇编语言，写入FPGA程序存储器ROM，执行程序，通过串口输出重复频率序列、刺激强度序列和时间序列。
所述的将神经电信号时频分析模块2得出的主频序列直接设置为随时间变化的磁刺激的重复频率序列，是基于信号共振的原理，即同频率的电信号更易引发振动，因此，将生物体的主频序列设置为磁刺激的重复频率序列，产生的刺激序列与生物体本身的信号序列具有更好的契合度。
通过刺激强度设置模块4设置磁刺激的刺激强度，具体是根据运动阈值(RMT)设定或根据磁感强强度设定，如70％RMT-120％RMT，或300mT-600mT等。
所述的将神经电信号时频分析模块2得出的强度因子序列设置为随时间变化的实际的刺激强度序列，是因为神经电信号时频分析尚无法得到与70％RMT-120％RMT或300mT-600mT等相匹配的磁刺激强度，因此，本发明将神经电信号时频分析得到的强度因子设置为磁刺激的强度系数，结合输入的刺激强度形成实际的刺激强度序列，实现了根据生物体电信号时频特征调整刺激强度随时间的变化。
对于传统的磁刺激器，除了重复频率和刺激强度以外，还需要设置脉冲个数。对于本发明而言，根据时间序列和重复频率序列，已经可以确定每个时间段的脉冲个数，因此，本发明的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统无需再单独设置脉冲个数。
4)所述的磁刺激器主机5将接收的随时间变化的磁刺激的重复频率序列和随时间变化的实际的刺激强度序列按照所接收的时间序列输出给线圈6，所述的线圈6产生重复频率随时间变化、实际刺激强度随时间变化的磁刺激作用于生物体。
本发明将设置变频变强度参数的控制模块作为单独的模块与磁刺激器主机配合使用，以确保刺激参数设置的灵活性。在已有的商用磁刺激器中，以Magstim Rapid2为例，均包含磁刺激器主机和控制面板，控制面板可手动设置重复频率、刺激强度、持续时间、脉冲个数等，但对于本发明而言，基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激参数均无法设置。因此，本发明将设置变频变强度参数的控制模块作为单独的模块，与磁刺激器主机配合使用。
以商用磁刺激器Magstim Rapid2为例，刺激器主机输入端口为26针的串口，其中第12针用于接收控制信号。采用9针-26针串口电缆将本发明的控制模块3与磁刺激器主机5的第12针相连，用于输出重复频率序列、刺激强度序列和时间序列至磁刺激器主机5，可实现本发明所述的变频变强度磁刺激。采用MagPy工具箱实现控制信号的传输，MagPy工具箱可通过网页下载(github.com/nicolasmcnair/magpy)，适用于多个平台(PC，Mac，Linux)，需下载Python编程软件(www.python.org)和PySerial串口通信工具箱(github.com/pyserial/)，以支持MagPy工具箱的使用。本发明所述的控制模块(3)具体是采用可编程控制器，XILINX公司的FPGA板，型号：ULTRASCALE+fFZ3B，内嵌了Linux系统，因此，可将MagPy工具箱、Python编程软件、PySerial串口通信工具箱下载至可编程控制器，通过MagPy工具箱将控制信号输出至磁刺激器主机。
MagPy工具箱的具体使用方法：首先为磁刺激器主机建立对象，以Magstim公司的BiStim2和Rapid2磁刺激器为例，命令语句分别为：magstimObject＝magstim.BiStim(’COM1’)和magstimObject＝magstim.Rapid(’COM1’)，其中COM1是连接至磁刺激器主机的串口地址。然后分别执行输出重复频率的语句magstimObject.setFrequency(<raj>)、输出刺激强度的语句magstimObject.setPower(<raj>)、输出时间序列的语句magstimObject.setDuration(<raj>)，实现将重复频率序列、刺激强度序列和时间序列输出至磁刺激器主机。MagPy工具箱的详细介绍可见参考文献：Nicolas A.McNair.MagPy:APython toolbox for controlling Magstim transcranial magneticstimulators.Journal of Neuroscience Methods.2017,276:33-37.Doi:10.1016/j.jneumeth.2016.11.006
实施案例：
将人脑运动区C3作为磁刺激靶点，首先通过Neuroscan脑电放大器记录右臂活动过程中C3处的脑电信号，记录时长为10s；然后通过短时傅里叶变换对脑电信号进行时频分析，脑电信号分为20段，得到每个时间段内的频谱曲线，提取各时间段内能量最大值对应的频率，作为该时间段内的信号主频，提取各时间段内能量最大值，根据所有时间段内的能量最大值进行归一化，获得各个时间段的强度因子，以此类推，获得整个脑电信号的信号主频序列、强度因子序列和对应的时间段；最后，设置刺激强度，根据设置的刺激强度和强度因子序列计算得出实际的刺激强度序列，将信号主频序列作为磁刺激的重复频率序列，将对应的时间序列作为各重复频率和各实际刺激强度的刺激时刻，通过磁刺激器主机和线圈输出磁刺激，是重复频率、刺激强度均随时间变化的磁刺激，作用于人脑运动区C3靶点处。
根据靶点处神经信号时频特征设置磁刺激重复频率序列、实际刺激强度序列和持续时间，使得磁刺激脉冲与靶点处神经振荡形成更有效的共振，能够更加有效地调控脑活动。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。
本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统，其特征在于，是根据生物体神经电信号时频特征设置的变频变强度磁刺激作用于生物体，包括有依次连接的：用于在实施磁刺激之前采集生物体神经电信号的神经电信号采集模块（1），用于提取神经电信号的时频特征的神经电信号时频分析模块（2），用于设置变频变强度磁刺激参数的控制模块（3），用于根据接收的控制信号产生相应的脉冲信号的磁刺激器主机（5）和用于接收脉冲信号并向生物体输出磁刺激的线圈（6），所述控制模块（3）的信号输入端还连接刺激强度设置模块（4）；其中：
所述的神经电信号采集模块（1），是在实施磁刺激之前通过采集探头采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号，采集时长为1-20s，采样频率s为512-2kHz，采集到的神经电信号输出至神经电信号时频分析模块（2）；所述的采集探头采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号，是在生物体静息态或任务态下采集的生物体磁刺激靶点处的神经电信号；
所述的神经电信号时频分析模块（2）是由第一可编程控制器构成，用于将采集到的神经电信号进行时频分析，包括进行如下步骤：
（2.1）将采集到的神经电信号X分为m个数据段，每个数据段包含n个数据点，每个数据点的幅值表示为xij，i=1,…,n，j=1, …, m，第j个数据段中第i个数据点对应的时间点为tij，tij=(j-1)×n+i，神经电信号X对应的时间序列为T，T={tij}送入控制模块（3）；
（2.2）将各数据段进行傅里叶变换，得到每个数据段的频率序列和能量序列，频率序列和能量序列的长度相等，记为h，每个频率序列包含h个频率值，每个能量序列包含h个能量值，每个数据段傅里叶变换后的频率序列相同，第k个频率值为sk=s/(h-k)，第j个数据段中的第k个频率值对应的能量值为Ykj；
（2.3）提取各个数据段最大能量值对应的频率值，即为各个数据段的信号主频，从而得到神经电信号X的主频序列F={f0,f1,...fm}并送入控制模块（3）；
（2.4）对所有数据段的能量最大值进行归一化，得到各个数据段的强度因子，形成强度因子序列L={l0,l1,...lm}并送入控制模块（3）；
所述的控制模块（3），是由第二可编程控制器构成，用于设置变频变强度磁刺激参数，包括进行如下步骤：
（3.1）将所接收的主频序列F={f0,f1,...fm}设置为随时间变化的磁刺激的重复频率序列，将所接收的强度因子序列L={l0,l1,...lm}设置为磁刺激的强度系数序列；
（3.2）接收刺激强度设置模块（4）输出的磁刺激的刺激强度，并将所述的刺激强度与强度因子序列相乘，得到随时间变化的实际的刺激强度序列；
（3.3）输出所述的随时间变化的磁刺激的重复频率序列、随时间变化的实际的刺激强度序列以及所接收的时间序列，所述的时间序列作为随时间变化的磁刺激的重复频率序列和随时间变化的实际的刺激强度序列的刺激时刻。
2.根据权利要求1所述的基于神经电信号时频特征的变频变强度磁刺激系统，其特征在于，所述的磁刺激器主机（5）将接收的随时间变化的磁刺激的重复频率序列和随时间变化的实际的刺激强度序列按照所接收的时间序列输出给线圈（6），所述的线圈（6）产生重复频率随时间变化、实际刺激强度随时间变化的磁刺激作用于生物体。
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