CN112972894B - 一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，利用包含采集设备、计算模块以及多导经颅电刺激发生器的多导交流电刺激施加的平台的步骤S1:对被试进行刺激反应任务同时通过采集设备采集脑电信号；S2:计算模块对脑电信号的数据包计算获得被试个体化西塔频率；S3:使用多导经颅电刺激发生器将被试个体化的西塔频率设置为交流电刺激信号的频率，输出交流电刺激信号。本发明对酒精成瘾患者的脑电分析，用多导经颅交流电刺激的方法，通过操控多导刺激电流之间的相位差，来针对性地对目标脑区之间的脑电西塔波段进行抑制，从而降低与之相关的渴求认知成分，解决了现有经颅交流电刺激无法针对多脑区进行功能连接进行调节的弊端。
Description
技术领域
本发明属于认知神经科学技术领域，涉及到一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法。
背景技术
物质成瘾是影响人类健康的重大精神疾病之一。酒精是世界上使用最为广泛的成瘾性物质，渗透于日常生活、社会经济、文化活动之中，然而长期过量饮酒除了会对个体身体造成伤害外，对其心理、生活及社会经济也会造成巨大的伤害。个体一旦形成酒精成瘾，出现的成瘾症状会严重影响其正常的生活和人际交往，还会花费大量的钱财和时间在饮酒上。另外，成瘾者无法正常工作，会造成社会的经济损失，严重者还会出现犯罪行为，扰乱社会安定。酒精成瘾已经成为一个重要的全球性健康问题。近年来，国内外越来越多的研究证据均支持了一个观点：酒精成瘾一旦形成，会造成成瘾个体的大脑损伤以及遗传缺陷。其特征在于强迫性饮酒，个体即使知道饮酒会造成的伤害，依旧无法控制饮酒行为；在停止饮酒后会产生戒断反应。
已经有很多研究探究了酒精成瘾的效果和干预手段，其中脑电图(electroencephalogram,EEG)数据已被用于研究酒精成瘾者与健康对照者之间脑信号的差异，酒精成瘾者相比于健康人，表现出不同的大脑功能连接模式，尤其在脑电西塔(theta)波段中表现出相关性增加的趋势(Parket,2017),减弱特定脑区间脑电特定频段的相关性，可能会是一种有效的干预酒精成瘾的方法。
经颅交流电刺激(transcranial Alternating Current Stimulation,tACS)是一种非侵入式、安全的颅外脑刺激手段。经颅交流电刺激通过放置在头皮表面的电极对大脑施加微弱交流电来进行神经调控。研究表明经颅交流电刺激可以频率选择性的影响运动、视觉、听觉、感知功能以及记忆、学习等高级认知功能，并可以缓解疼痛、失眠、焦虑等疾病。由于其安全和易于操作，特别是不需要被试主观参与的特性，经颅交流电刺激逐渐成为一种新的神经科学研究方法和无创神经精神性疾病治疗方法。
传统的经颅交流电刺激只有两个电极，无法进行多靶点刺激。多导经颅交流电刺激可以利用多个电极对，同时对被试的不同脑区同时进行刺激，还可以通过调整不同电极对之间的相位，频率差异等手段，达到多靶点同时刺激以及调节脑网络的效果。有研究表明多导经颅交流电刺激不同的区域可以有效地调节目标脑区之间的神经振荡的相位同步性和功能连接(Tan,2020)。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法。
为了达成本发明的目的，本发明提供一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，本发明是利用包含采集设备、计算模块以及多导经颅电刺激发生器的多导交流电刺激施加的平台，实现的技术方案包括以下步骤：
步骤S1：对被试进行刺激反应任务，同时通过采集设备采集脑电信号；
步骤S2：计算模块，对脑电信号的数据包计算，获得被试个体化西塔(theta)频率；
步骤S3：使用多导经颅电刺激发生器，将被试个体化的西塔(theta)频率设置为交流刺激电信号的频率，输出交流电刺激信号。
本发明的有益效果：本发明基于对酒精成瘾患者的脑电分析，利用多导经颅交流电刺激的方法，通过操控多导刺激电流之间的相位差，来针对性地对目标脑区之间的脑电西塔(theta)波段进行抑制，从而降低与之相关的渴求认知成分，解决了现有经颅交流电刺激无法针对多脑区进行功能连接进行调节的弊端。
附图说明
图1为本发明是利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾设备平台提供一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法的示意图；
图2为本发明中多导经颅电刺激发生器电路原理示意图；
图3为本发明中利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的操作流程。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的平台包括采集设备、计算模块和多导经颅电刺激发生器；利用包含采集设备、计算模块以及多导经颅电刺激发生器的多导交流电刺激施加的平台，实现的技术方案包括以下步骤：
步骤S1：对被试进行刺激反应任务，同时通过采集设备采集脑电信号；
步骤S2：计算模块，对脑电信号的数据包计算，获得被试个体化西塔(theta)频率；
步骤S3：使用多导经颅电刺激发生器，将被试个体化的西塔(theta)频率设置为交流刺激电信号的频率，输出交流电刺激信号。
具体的实施的技术方案如下：
1.1)所述采集设备采用脑电放大器，用于对脑电数据的采样频率进行设置，其中的脑电信号提取于被试做刺激反应任务时。其中，刺激反应任务包括酒精刺激和非酒精刺激，脑电放大器分别提取酒精刺激条件和非酒精刺激条件下的脑电信号；采集被试的脑电信号作为数据包，发送至计算模块，其中，脑电数据的采样频率为256Hz，数据包中包含了所有采样电极在内的时间序列电压信号；
1.2)所述计算模块接收电脑信号采集设备采集到的脑电数据；计算模块对脑电数据包进行预处理，去除记录到的脑电信号中的噪声，包含被试的肌电信号，眼电信号，环境噪声等，获得去噪脑电数据。计算模块通过有限长单位冲激响应滤波器(Finite ImpulseResponse,FIR)对上一步处理获得的脑电数据进行滤波，对获得滤波去噪脑电数据通过计算个体阿尔法(alpha)振荡峰频率(Individual Alpha Frequency,IAF),并采用个体阿尔法(alpha)振荡峰频率减去5作为被试个体化的西塔(theta)频率；
1.3)所述可控多导经颅电刺激发生器将被试个体化的西塔(theta)频率设置为交流刺激电信号的频率；多导经颅电刺激发生器输出两导预设频率、预设幅值、预设时长，初始相位差为180度的交流电刺激信号，交流电刺激信号的电流幅值恒定，不随被试生物阻抗大小改变。所述交流电刺激信号通过在头皮上与酒精成瘾相关的位置上的两对刺激电极注入大脑，用以调节脑区间功能连接强度；刺激开始之后，被试同时进行刺激反应任务。
请参阅图2所示，多导经颅电刺激发生器采用了双导输出的设计其由第一导电路、第二导电路组成，通过第一导电路、第二导电路分别接收计算模块计算出的个体化西塔(theta)频率，分别经过数模转换及信号放大，输出两导交流电刺激信号，其中第一导交流电刺激信号的频率为个体化西塔(theta)频率，幅值可调0-2mA，相位为0°；第二导交流电刺激信号的频率为个体化西塔(theta)频率，幅值可调0-2mA，相位为180°，第一导交流电刺激信号与第二导交流电刺激信号的相位差为180°，第一导交流电刺激信号、第二交流电刺激信号的电流幅值恒定，不随被试生物阻抗大小改变。
具体地，所述第一导电路的主体部分由微控制器1，第一数模转换模块2，第一运算放大器3，第一输出保护电路4和供电模块5构成，所述微控制器1与第二导电路共同使用一个微控制器，所述供电模块5与第二导电路共同使用一个供电模块，其中：
所述微控制器1与第一输出保护电路4连接，接收计算模块计算出的个体化西塔(theta)频率，输出第一数字信号；接收第一输出保护电路4输出的电压值信号并与阈值电压比较，输出控制电平信号；
所述第一数模转换模块2，接收并将第一数字信号转换成第一模拟信号，此时第一模拟信号的频率为个体化西塔(theta)频率，幅值可调(0-2mA)，相位为0°；
所述第一运算放大器3，将第一模拟信号转换成并输出一个双极性模拟信号；
所述第一输出保护电路4与微控制器1连接，用于抑制高频噪声信号，以及实时检测输出端电压并输出电压值信号，接收一个双极性模拟信号和控制电平信号，用于控制第一输出保护电路4第一导输出交流电刺激信号；
所述供电模块5与第一运算放大器3的输出端和第一输出保护电路4的输入端连接，用于为微控制器1、第一数模转换模块2、第一运算放大器3和第一输出保护电路4提供直流电压供电。
当微控制器1接收到电压信号小于阈值电压对应幅值时，第一输出保护电路4接收微控制器1输出的控制电平信号为低电平时，所述第一输出保护电路4继电器连通，输出第一导交流电刺激信号；当微控制器1接收到电压信号大于等于阈值电压对应幅值时，第一输出保护电路4接收微控制器1输出的控制电平信号为高电平时，所述第一输出保护电路4继电器断开，不输出交流电刺激信号。
第一输出保护电路4还抑制了电噪声，提高信噪比。第一输出保护电路4中使用滤波电路来对输出端的电噪声进行抑制。
具体地，所述第二导电路的主体部分由微控制器1为与第一导电路中共同使用一个微控制器，第二数模转换模块6，第二运算放大器7，第二输出保护电路8和供电模块5构成，所述供电模块5与第一导电路中共同使用一个供电模块，在第二导电路中：
所述微控制器1与第二输出保护电路8连接，接收计算模块计算出的个体化西塔(theta)频率，输出第二数字信号；接收第二输出保护电路4输出的电压值信号并与阈值电压比较，输出控制电平信号；
所述第二数模转换模块6，接收并将第二数字信号转换成第二模拟信号，此时第二模拟信号的频率为个体化西塔(theta)频率，幅值可调(0-2mA)，相位为180°；
所述第二运算放大器7，将第二模拟信号转换成并输出一个双极性模拟信号；
所述第二输出保护电路8与微控制器1连接，用于抑制高频噪声信号，以及实时检测输出端电压并输出电压值信号，接收一个双极性模拟信号和控制电平信号，用于控制第二输出保护电路8输出第二导交流电刺激电信号；
所述供电模块5与第二运算放大器7的输出端和第二输出保护电路8的输入端连接，用于为微控制器1、第二数模转换模块6、第二运算放大器7和第二输出保护电路8提供直流电压供电。
当微控制器1接收到电压信号小于阈值电压对应幅值时，第二输出保护电路8接收微控制器1输出的控制电平信号为低电平时，所述第二输出保护电路8继电器连通，输出第二导交流电刺激信号；当微控制器1接收到电压信号大于等于阈值电压对应幅值时，第二输出保护电路8接收微控制器1输出的控制电平信号为高电平时，所述第二输出保护电路8继电器断开，不输出交流电刺激信号。
第二输出保护电路8还抑制了电噪声，提高信噪比。第二输出保护电路8中使用滤波电路来对输出端的电噪声进行抑制。
所述第一导电路、第二导电路中还包括共同使用一个供电模块5，主要功能是为第一数模转换模块2、第二数模转换模块6、第一运算放大器3、第二运算放大器7提供一个稳定的直流电压。供电模块5在可控精密电压源的稳压作用下将会稳定的输出电压，用以作为微控制器1、第一输出保护电路4和第二输出保护电路8的供电，同时为第一数模转换模块2和第二数模转换6模块提供基准电压。
请参阅图3所示，利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的操作流程；
3.1)被试人员。入组标准：酒精使用障碍识别测试(Alcohol Use DisorderIdentification Test，AUDIT)得分大于8，同时，无癫痫病，无多发性硬化症或其他神经系统疾病病史；无先前的脑部损伤或感染，脑内没有植入的金属；体内无起搏器；不在妊娠期；无幽闭恐惧症；近期没有晕厥或惊恐发作；没有频繁的头痛或头晕；没有湿疹或其他皮肤状况。
3.2)脑电任务。脑电任务包含一个刺激反应任务，在刺激反应任务中，将向被试展示三种提示(酒精(100张图片)，中性(100张图片)和动物(25张图片)。每张图片具有510×480像素大小。图像的显示将是伪随机的，连续出现的相同图像类型不超过三个。当动物图片出现在屏幕上时，将指示参与者尽快按键盘上的空格键，以使他们将注意力集中在任务上。每张图片显示2秒钟，并在刺激间隔期间呈现注视，间隔从1.8到2.2s随机变化。在显示一半数量的图像(112张图像)后，将要求被试休息，保证被试能够以良好的状态完成刺激反应任务。刺激反应任务总共持续约20分钟。刺激反应任务中，由前述的采集设备采集脑电信号，并将采集到的脑电信号通过计算模块计算，得到被试个体化的西塔(theta)频率；
3.3)多导经颅交流电刺激干预。多导经颅交流电刺激会接收计算模块计算出的个体化西塔(theta)频率的数值，作为输出信号的刺激频率。在实验过程中，被试将舒适地坐在明亮安静的房间里的扶手椅上。多导经颅交流电刺激发生器将被有目的地放置在扶手椅后面，在刺激过程中对患者隐藏。片刻之后，向被试展示与酒精有关的视频以诱导其对酒精的渴求，并获得其渴求水平。开始多导经颅电刺激之后将告知被试其可以在刺激结束后被允许摄入酒精；对于多导经颅电刺激的电极设置，电极放置将基于国际通用的EEG 10-20系统。10-20系统的电极位置的判定方法如下：首先在头皮表面确定两条线，第一条为鼻根(Nasion)至枕外隆凸(Inion)的前后连线，第二条为左右耳前凹之间的左右连线，这两条连线的交点处于头顶处，即为电极Cz的位置；鼻根至枕外隆凸的前后连线的长度设为100％，沿着鼻根至枕外隆凸的前后连线，从鼻根向后距离为10％的位置定为电极Fpz位置，从电极Fpz向后每隔20％的距离定义一个电极位置，从前向后依次为电极Fz、电极Cz、电极Pz和电极Oz，其中电极Oz距离枕外隆凸的长度为10％；左右耳前凹之间的左右连线长度同样设为100％，沿着这条左右连线，从左侧耳前凹向右距离为10％的位置定为电极T3位置，从电极T3向右每隔20％的距离设置一个电极，从左到右依次为电极C3、电极Cz、电极C4和电极T4，其中电极T4距离右侧耳前凹的长度为10％；接下来，电极Fpz—电极T3—电极Oz三个电极可以连接成左侧连线，同样这条连线的距离定义为100％，沿着这条电极Fpz—电极T3—电极Oz连线，从电极Fpz向后距离为10％的地方定义为电极Fp1，从电极Fp1向后每隔20％为一个电极位置，依次为电极F7、电极T3、电极T5和电极O1，其中O1距离电极Oz的距离为10％；同样，对于右侧连线电极Fpz—电极T4—电极Oz，也可按照上述规则定义出电极Fp2、电极F8、电极T4、电极T6和电极O2各电极位置；最后，电极Fp1—电极C3—电极O1连线和电极F7—电极Fz—电极F8连线的交点定义为电极F3，电极Fp1—电极C3—电极O1连线和电极T5—电极Pz—电极T6连线交点定义为电极P3，同理可以定义右侧的电极F4和电极P4电极。两导刺激电极将分别置于电极EEG 10-20系统中的电极T3和电极T4电极。在电极T3和电极T4上进行相位差为180度的两导经颅交流电刺激，峰峰值为2mA，时间持续30分钟。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，利用包含采集设备、计算模块以及多导经颅电刺激发生器的多导交流电刺激施加的平台，实现的技术方案包括以下步骤：
步骤S1：对被试进行刺激反应任务，同时通过采集设备采集脑电信号；
步骤S2：计算模块，对脑电信号的数据包计算，获得被试个体化西塔频率；
步骤S3：使用多导经颅电刺激发生器，将被试个体化的西塔频率设置为交流电刺激信号的频率，输出交流电刺激信号；所述多导经颅电刺激发生器由第一导电路、第二导电路组成，通过第一导电路、第二导电路分别接收计算模块计算出的个体化西塔频率，分别经过数模转换及信号放大，输出第一导交流电刺激信号和第二导交流电刺激信号，其中第一导交流电刺激信号的频率为个体化西塔频率，幅值可调0-2mA，相位为0°；第二导交流电刺激信号的频率为个体化西塔频率，幅值可调0-2mA，相位为180°，第一导交流电刺激信号与第二导交流电刺激信号的相位差为180°。
2.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述采集设备采用脑电放大器，用于对脑电数据的采样频率进行设置，脑电数据的采样频率为256Hz，数据包中包含了所有采样电极在内的时间序列电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述刺激反应任务包括酒精刺激和非酒精刺激，脑电放大器分别提取酒精刺激条件和非酒精刺激条件下的脑电信号。
4.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述计算模块，对脑电信号的数据包进行预处理，去除记录到的脑电信号中的噪声，包含被试的肌电信号、眼电信号以及环境噪声，获得去噪脑电数据。
5.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述计算模块，通过有限长单位冲激响应滤波器对去噪脑电数据进行滤波，对获得滤波去噪脑电数据通过计算得到个体阿尔法振荡峰频率,并采用个体阿尔法振荡峰频率减去5作为被试个体化的西塔频率。
6.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述交流电刺激信号通过在头皮上与酒精成瘾相关的位置上的两对刺激电极注入大脑，以调节脑区间功能连接强度。
7.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述第一导电路的主体部分由微控制器，第一数模转换模块，第一运算放大器，第一输出保护电路和供电模块构成，其中：
所述微控制器与第一输出保护电路连接，接收计算模块计算出的个体化西塔频率，输出第一数字信号；接收第一输出保护电路输出的电压值信号并与阈值电压比较，输出控制电平信号；
所述第一数模转换模块，接收并将第一数字信号转换成第一模拟信号，此时第一模拟信号的频率为个体化西塔频率，幅值可调0-2mA，相位为0°；
所述第一运算放大器，将第一模拟信号转换成并输出一个双极性模拟信号；
所述第一输出保护电路与微控制器连接，用于抑制高频噪声信号，以及实时检测输出端电压并输出电压值信号，接收一个双极性模拟信号和控制电平信号，用于控制第一输出保护电路输出第一导交流电刺激信号；
所述供电模块与第一运算放大器的输出端和第一输出保护电路的输入端连接，用于为微控制器、第一数模转换模块、第一运算放大器和第一输出保护电路提供直流电压供电。
8.根据权利要求1所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述第二导电路的主体部分由微控制器，第二数模转换模块，第二运算放大器，第二输出保护电路和供电模块构成，其中：
所述微控制器与第二输出保护电路连接，接收计算模块计算出的个体化西塔频率，输出第二数字信号；接收第二输出保护电路输出的电压值信号并与阈值电压比较，输出控制电平信号；
所述第二数模转换模块，接收并将第二数字信号转换成第二模拟信号，此时第二模拟信号的频率为个体化西塔频率，幅值可调0-2mA，相位为180°；
所述第二运算放大器，将第二模拟信号转换成并输出一个双极性模拟信号；
所述第二输出保护电路与微控制器连接，用于抑制高频噪声信号，以及实时检测输出端电压并输出电压值信号，接收一个双极性模拟信号和控制电平信号，用于控制第二输出保护电路输出第二导交流电刺激信号；
所述供电模块与第二运算放大器的输出端和第二输出保护电路的输入端连接，用于为微控制器、第二数模转换模块、第二运算放大器和第二输出保护电路提供直流电压供电。
9.根据权利要求7或8所述的一种利用多导经颅交流电刺激干预酒精成瘾的方法，其特征在于，所述第一导电路和所述第二导电路中共同使用一块所述的微控制器以及共同使用一块所述的供电模块。
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