CN114042251A - 多靶点光磁电耦合神经调控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多靶点光磁电耦合神经调控装置及方法。该装置包括：光磁电耦合模块，包括经颅磁刺激模块、神经肌肉电刺激模块和多通道光学信号采集模块；神经调控分析模块，包括信号传输模块、对比分析模块和分析结果的数据存储模块；参数控制模块，能够依据神经调控分析模块对大脑皮层光信号的分析比对结果，动态调控经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块的刺激模式和刺激参数，以提升经颅磁刺激和神经肌肉电刺激的有效性，经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块能够同时刺激多个脑区及肢体，也能够按时序刺激多个目标靶点，对比分析模块能够调取数据存取模块中在任意时刻的指标数据，通过比对前后两个时刻的指标信息，能够判定神经调控的量效。
Description
技术领域
本发明涉及一种多靶点光磁电耦合神经调控装置及方法，特别是涉及一种基于功能性近红外光谱与多靶点磁电刺激技术相耦合的神经调控装置及方法，其可对多个靶区进行同步或时序的经颅磁刺激以及磁电的协同刺激，并实现磁电刺激效果同步检测及神经调控参数动态调整。
背景技术
功能性近红外光谱(fNIRS)技术是一项可对组织血氧进行非侵入的无损检测技术，具有较好毫秒级的时间分辨率和约5毫米的空间分辨率。近红外光谱设备通过光源不断发出700-900nm的近红外光线，并通过探测器检测被氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收的近红外光谱，可以探测大脑皮层组织的微循环变化。此外，fNIRS还具有不受电磁干扰、信噪比高、便携等特点，在检测神经调控引起的脑功能变化中具有独特的优势。
经颅磁刺激(TMS)是一项通过影响脑内代谢和神经从而调控大脑活动的磁电刺激技术。TMS可产生一定范围及强度的脉冲磁场，由于人体肌肉、骨骼的电导率很小，因此几乎不产生电流；而神经组织的导电率很大，可在进行磁电时皮层组织中产生电流，由此改变神经细胞的动作电位。其最终效应既可以引起暂时的大脑功能兴奋或抑制，也可引起长时程的皮质可塑性调节。单脉冲TMS(sTMS)用于神经通路的诊断，双脉冲TMS(pTMS)用于神经通路的诊断，而重复性TMS(rTMS)已被证实可改变刺激区域突触相关基因的表达、神经递质及受体功能，进而诱导突触可塑性、促进神经修复，目前已广泛应用于脑神经损伤或精神疾病方面的临床康复。
目前，磁刺激的刺激靶点以初级运动区(M1)为主，并采用低频/高频刺激健/患侧提升或降低靶区兴奋性。然而该刺激模式存在很大的局限性和弊端，与M1区比较，运动前区(PMA)或辅助运动区(SMA)等高级运动区可能是结构损伤较严重患者更优的神经调控靶点选择。因此，在刺激过程中实时检测磁刺激效果是十分必要的。
目前尚未发现使用经颅磁对多个靶点进行同步或时序刺激的过程中，同步利用近红外光谱技术检测多靶点经颅磁刺激效果的相关专利。
另外，神经肌肉电刺激(NMES)作为一种非侵入性的外周刺激方法，可以刺激人体相应部位的神经和肌群，并在感觉输入后一段时间内改善皮层活动，以促进神经环路和运动功能重建。虽然中枢神经调控(如经颅磁刺激)是现阶段神经调控的主要手段之一，但是缺乏对外周神经的刺激(如神经肌肉电刺激)的功能补偿，难以实现脑肢协同康复。因此，经颅磁刺激与神经肌肉电刺激相结合的磁电联合调控是未来神经调控的发展方向。然而，现阶段未发现光磁电耦合实现磁电刺激与光学信号同步监测反馈的发明专利。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多靶点光磁电耦合神经调控装置，可实现经颅磁刺激对多个靶点进行同步/时序刺激，或与神经肌肉电刺激进行协同刺激，并利用功能性光学技术实时检测和分析神经调控对脑网络指标的影响，进而调整磁刺激或神经电刺激参数，优化神经调控策略。
本发明的第一方面涉及一种多靶点光磁电耦合神经调控装置，包括：
-光磁电耦合模块，包括：
--经颅磁刺激模块，用于对受试者的一个或多个靶向脑区进行刺激；
--神经肌肉电刺激模块，用于对受试者的肢体端进行刺激；和
--多通道光学信号采集模块，用于实时采集和检测刺激过程中受试者的大脑皮层光信号；
-神经调控分析模块，包括：
--信号传输模块，用于分别收集由磁刺激、电刺激、联合刺激所引起的大脑皮层光信号的变化；
--对比分析模块，用于利用大脑皮层光信号来分析脑网络指标；和
--数据存储模块，用于存储对比分析模块的分析结果；以及
-参数控制模块，能够依据神经调控分析模块对大脑皮层光信号的分析比对结果，动态调控经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块的刺激模式和刺激参数，以此提升经颅磁刺激和神经肌肉电刺激的有效性，
其中，经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块能够同时刺激多个脑区及肢体，也能够按时序刺激多个目标靶点，
其中，多通道光学信号采集模块能够在磁电刺激同时同步检测脑光学神经信号，对比分析模块能够调取数据存取模块中任意时刻下的指标数据，通过比对不同时刻的指标信息，能够判定神经调控的量效，并反馈给参数控制模块进行刺激模式和刺激参数调整。
在一个有利方式中，经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块间采用帽壳及弹性帽衬相结合的设计，经颅磁刺激模块位于帽壳中，帽壳中空处能够放置磁刺激线圈及通风冷却装置，多通道光学信号采集模块安装在弹性帽衬上。
在一个有利方式中，经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块中具有物理降噪措施。经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间隙中衬有海绵层，海绵层中设有多个弹簧装置，能够保证经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间距不大于2mm，多通道光学信号采集模块与头皮贴合处周围附有橡胶垫片，起到缓冲并有效减少多通道光学信号采集模块抖动的作用。
在一个有利方式中，参数控制模块能够通过改变电流方向及大小，在线实时调整多靶点经颅磁刺激参数。
在一个有利方式中，参数控制模块所进行的在线实时调整包括：控制经颅磁刺激模块的线圈通电频率，实现高/低频重复磁刺激与持续/间断脉冲磁刺激的转换；控制经颅磁刺激模块的线圈通电个数及线圈电流方向，实现多种刺激方式的自由组合；通过控制线圈通电顺序，实现多个靶点的同步刺激，或时序刺激；通过调整通电电流大小，实现刺激强度的变化。
在一个有利方式中，参数控制模块能够调整神经肌肉电刺激模块中的电刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率，也能够在磁刺激模块工作过程中，控制神经肌肉电刺激与磁刺激的协同调控方式。
本发明的第二方面涉及一种使用以上所述的基于多靶点光磁电耦合神经调控装置进行测试的方法，包括以下步骤：
设置经颅磁刺激模块及神经肌肉电刺激模块的刺激模式及刺激参数，开始多靶点磁电神经调控；
通过多通道光学信号采集模块将经颅磁刺激、神经肌肉电刺激、以及联合刺激对大脑皮层产生的变化持续传输至信号分析模块，对比分析模块利用收集到的大脑皮层信号计算脑网络指标，并将分析结果不断存储至数据存取模块；
利用神经调控分析模块中的对比分析模块，从数据存取模块中调取任意两个时刻下的信号分析结果，通过比对各项脑网络指标，判断现阶段磁电神经调控方案的效用。
在一个有利实施方式中，根据神经调控分析模块中的判定信息，在参数控制模块中在线调整经颅磁刺激靶点、刺激参数、以及刺激模式，包括磁刺激线圈组合方式、强度频率、刺激时序；调整神经肌肉电刺激的电刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率；以及经颅磁刺激模块与神经肌肉电刺激模块的协同方式。
另外，本发明一方面提供了一种多靶点光磁电耦合神经调控装置，其特征在于，包括：
光磁电耦合模块，包括一个多通道光学信号采集模块、多靶点经颅磁刺激模块、神经肌肉电刺激模块，可作用于刺激受试者的多个靶向脑区以及肢体端，可达到同时刺激(激活/抑制)多个脑区(患/健侧靶点)及肢体，也可按时序刺激多个目标靶点的目的，并利用光学成像技术同步检测受试者大脑皮层信号；
神经调控分析模块，包括信号传输模块、对比分析模块、数据存储模块。信号传输模块可分别收集由磁刺激、电刺激、联合刺激所引起的大脑皮层信号的变化，由对比分析模块利用皮层信号分析脑网络指标，并将结果存储至数据存取模块。对比分析模块还可调取数据存取模块中任意时刻下的指标数据，通过比对前后两个时刻的指标信息，可以判定神经调控的量效；
参数控制模块，可依据神经调控分析模块对大脑皮层信号的分析比对结果，动态调控经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块的刺激模式和刺激参数，包括线圈通电模式、组合模式、通电时序、刺激序列等，以此提升多靶点经颅磁刺激和神经肌肉电刺激的时效性。
在一个有利方式中，所述的光磁电耦合模块中的多靶点经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块间采用一种帽壳及弹性帽衬相结合的设计，多靶点经颅磁刺激模块位于帽壳中，帽壳中空处可放置磁刺激线圈及通风冷却装置；多通道光学信号采集模块安装在弹性帽衬上；帽壳与帽衬以压接方式相连。
在一个有利方式中，所述的多靶点经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块中具有一系列物理降噪措施。多靶点经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间隙中衬有薄海绵层，海绵层中设有多个弹簧装置，可保证两模块的间距不大于2mm；模块与头皮贴合处周围附有橡胶垫片，起到缓冲并有效减少采集模块抖动的作用。
在一个有利方式中，所述多靶点光磁电耦合模块中的多靶点经颅磁刺激模块至少包括4个圆型或2个8字形磁刺激线圈，对称分布在大脑左右半球上，可覆盖左右背外侧前额叶(DLPFC)、左右运动前区(PMA)、初级运动区(M1)、感觉运动区(SMA)等多个脑区。圆型线圈内径为58mm，外径72mm，框架厚度20mm，每个圆型线圈均与头皮切线平行。
在一个有利方式中，所述参数控制模块可以根据脑网络反馈，改变电流方向及大小，在线实时调整多靶点磁电刺激模块的不同参数，包括：控制线圈通电频率，实现高/低频重复磁刺激与持续/间断脉冲磁刺激的转换；控制线圈通电个数及线圈电流方向，将两个相接触的圆型线圈组合成的“8字型”线圈供电形成聚焦磁场，实现单靶点圆型线圈与“8字型”线圈，多靶点圆形线圈及“8字型”等多种刺激方式的自由组合；通过控制线圈通电顺序，实现多个靶点的同步刺激，或时序刺激；通过调整通电电流大小，实现磁场强度，即刺激强度的变化。
在一个有利方式中，所述参数控制模块可调整神经肌肉电刺激模块中的刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率等。也可在磁刺激模块工作过程中，控制神经肌肉电刺激与磁刺激的协同调控方式。
本发明的另一方面提供了一种使用以上方面所述的多通道经颅光磁电耦合神经调控方法，包括以下步骤：
在静息状态时佩戴光磁电耦合模块，保持放松，确保环境无噪音干扰；
设置经颅磁刺激模块及神经肌肉点刺激模块的刺激模式及刺激参数，包括初始靶点、初始刺激强度、初始频率等，开始多靶点磁电神经调控；
经颅磁刺激、神经肌肉电刺激、以及联合刺激对大脑皮层产生的变化通过多通道光学信号采集模块持续传输至神经调控分析模块，对比分析模块利用收集到的大脑皮层信号计算各项脑网络指标，并将分析结果不断存储至数据存取模块；
利用神经调控分析模块中的对比分析模块，从数据存取模块中调取任意两个时刻下的信号分析结果，通过比对各项脑网络指标，判断现阶段磁电神经调控方案的效用；
根据神经调控分析模块中的判定信息，在参数控制模块中在线调整经颅磁刺激靶点、刺激参数、以及刺激模式，包括磁刺激线圈组合方式、强度频率、刺激时序等；调整神经肌肉电刺激的电刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率等；以及经颅磁刺激模块与神经肌肉电刺激模块的协同方式等。根据分析结果，进一步调整刺激参数，优化磁电神经调控方案，实现脑肢协同康复。
本发明设计了一种多靶点光磁电耦合神经调控装置，并实现了功能性近红外设备与多靶点磁电刺激设备的耦合。多靶点磁电刺激设备可对单一或多个脑靶点与肢体靶点进行同步或时序刺激，当进行磁电刺激时，可同步使用功能性近红外技术检测大脑皮层信号的变化。对采集完毕的信号进行分析后可得出大脑网络指标，从而调整磁电刺激参数并优化神经调控策略。
光磁耦合采用帽壳及弹性帽衬结构，多靶点磁电磁刺激模块中的刺激线圈位于帽壳中，帽壳外层具有可视化显示屏，可在大脑皮层模型的对应位置显示脑皮层功能状态的变化；信号采集模块中的近红外光源及探头安装在弹性帽衬上。其最大厚度不超过8mm；两模块互不接触且最大距离不超过2mm；以此实现磁刺激过程中实时的脑皮层信号的同步检测。
功能性近红外光谱技术可对组织血氧进行非侵入的无损检测，能够非常有效地检测脑组织微循环中氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白浓度水平的变化，并具有较好毫秒级的时间分辨率和约5毫米的空间分辨率。功能性近红外通道模板采用国际脑电图10-20系统定位，一个标准检测通道由相距30mm的探头和光源组成，通道实现全脑区覆盖。
多靶点经颅磁刺激模块至少包括4个圆型线圈。圆型线圈内径为58mm，外径72mm，框架厚度20mm，每个圆型线圈与均头皮平行，相接触的两个线圈可组成一个“8字型”线圈，组合后两个圆型线圈可互通反向电流。
光磁电耦合神经调控装置中的参数控制模块可独立自由选择磁刺激靶点及每个线圈的刺激模式，包括刺激强度、时间、频率、间歇等参数，实现单靶点刺激以及多靶点的同步刺激以及时序刺激。也可调整神经肌肉电刺激的刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率等，控制神经肌肉电刺激与磁刺激的协同方式。
使用时首先佩戴光磁电耦合模块采集静息态信息，以此建立大脑皮层模式。随后使用参数控制模块选择刺激的靶点及刺激的模式，开始多靶点经颅磁刺激，并开展同步检测。
大脑皮层信号同步采集过程中，数据被实时传输至对比分析模块。模块首先对数据进行预处理。利用巴特沃斯带通滤波器来获得0.01-2Hz的过滤信号，并采用滑动平均方法、独立成分分析去除噪声和运动伪影，从而提高信噪比。然后，对预处理后的数据进行小波变换。
使用母小波对预处理后的信号进行连续的小波变换，将小波变换后的结果在时域内进行平均，可以得到每个氧合血红细胞信号在每一个时刻和频率下的小波幅值。0.01-0.08Hz频率上的波动情况表征了大脑皮层神经性的活动强度。对信号进行小波相位相干性分析可评价脑功能连接侧偏性指数的改变。由此可实时评价经颅磁刺激对大脑激活及网络的影响。
多靶点光磁电耦合神经调控装置及方法，可针对多个靶点进行同步或时序磁电刺激同时，通过功能性近红外光学成像系统与多靶点刺激设备耦合的方式，实现多靶点刺激效果的实时检测并进行在线评价和反馈，实时调整刺激参数，对量化磁电刺激疗效及制定神经调控刺激方案具有重大价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本专利可对多个脑靶点及肢体靶点进行同步或时序磁电刺激，并实现刺激过程中的实时检测、反馈与评价。
2)有助于研究针对不同脑功能障碍的磁电刺激靶点及其量效关系，有助于完善并制定个性化的神经调控方案。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为根据本发明的多靶点光磁电耦合神经调控装置的流程图；
图2为参数控制模块流程图；
图3为多靶点光磁电耦合神经调控装置的布置示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
下面结合附图1至3对本发明的具体实施方式进行详细说明。
为使多靶点光磁电耦合神经调控装置的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细的描述。本领域技术人员应当理解，以下描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其做出任何限制。
如图1所述，本申请的多靶点光磁电耦合神经调控装置包括光磁电耦合模块、神经调控分析模块和参数控制模块。光学信号采集模块利用功能性近红外光谱技术在全脑范围内同步采集多靶点经颅磁刺激及外周电刺激对受试者大脑皮层信号产生的网络影响；多靶点经颅磁刺激模块可对多个靶向脑区进行协同刺激，以达到同时或时序激活/抑制多个患/健侧脑区的目的；神经肌肉电刺激模块可以对远端肢体进行电刺激，实现感觉功能补偿。
光磁电耦合模块包括：经颅磁刺激模块，用于对受试者的一个或多个靶向脑区(即，多靶点中枢神经)进行同步或时序刺激；神经肌肉电刺激模块，用于对受试者的肢体端(即，外周神经)进行同步或时序刺激；和多通道光学信号采集模块，用于实时采集和检测刺激过程中受试者的大脑皮层光信号。
神经调控分析模块包括：信号传输模块，用于分别收集由磁刺激、电刺激、联合刺激所引起的大脑皮层光信号的变化；对比分析模块，用于利用大脑皮层光信号来分析脑网络指标；和数据存储模块，用于存储对比分析模块的分析结果。神经调控分析模块分析磁电刺激对脑网络指标的影响及变化，在线检测、评价多靶点的协同调控效果。
参数控制模块能够依据神经调控分析模块对大脑皮层光信号的分析比对结果，动态调控经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块的刺激模式和刺激参数，以此提升经颅磁刺激和神经肌肉电刺激的有效性。参数控制模块，根据分析结果，实时调整磁电刺激各项参数，实现神经调控的动态调整。
经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块能够同时刺激多个脑区及肢体，也能够按时序刺激多个目标靶点的目的，其中，多通道光学信号采集模块能够在磁电刺激同时同步检测脑光学神经信号，并且对比分析模块能够调取数据存取模块中任意时刻下的指标数据，通过比对不同时刻的指标信息，可以判定神经调控的量效，并反馈给参数控制模块进行刺激模式和刺激参数调整。
本发明通过利用包含功能性近红外光谱设备的信号采集模块与多靶点磁电刺激模块的光磁耦合设备，实现对单一或多个靶点进行同步或时序刺激，并实现刺激过程中大脑皮层信号的实时检测。将由磁刺激、电刺激、联合刺激所引起的大脑皮层变化信号输入数据传输模块，由对比分析模块分析脑网络指标，并将结果存储至数据存取模块。通过对比分析模块调取数据存取模块中任意时刻下的指标数据，通过比对前后两个时刻的指标信息，可以判定神经调控的量效，并以此调整磁电刺激参数，优化神经调控策略，具体流程如图1所示。
在参数调整模块中，可根据神经调控分析模块分析对比的数据，针对经颅磁刺激模块，可以通过改变电流方向及大小，在线实时调整多靶点磁电刺激模块的不同参数，包括：控制线圈通电频率，实现高/低频重复磁刺激与持续/间断脉冲磁刺激的转换；控制线圈通电个数及线圈电流方向，实现单靶点圆型线圈、单靶点“8字型”线圈、多靶点圆形线圈、多靶点“8字型”等不同模式刺激；通过控制线圈通电顺序，实现多个靶点的同步刺激，或时序刺激；通过调整通电电流大小，实现磁场强度，即刺激强度的变化；针对神经肌肉电刺激模块，调整电刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率等。也可在磁刺激模块工作过程中，控制神经肌肉电刺激与磁刺激的协同调控方式，如图2所示。
光磁耦合采用帽壳及弹性帽衬结构，信号采集模块中包括一套可安装在弹性帽衬上的功能性近红外光谱仪器，可实时采集、检测受试者的大脑皮层的血氧信号。功能性近红外光谱检测模块需在全脑覆盖范围内合理布置近红外光发射器(光源)和探测器(探头)。光源及探头按照国际脑电10-20系统标准布置，相距30mm的探头及光源组成一个检测通道，所有通道均匀分布在前额叶、顶叶运动区、颞叶、枕叶等多个区域。即，经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块间采用帽壳及弹性帽衬相结合的设计，经颅磁刺激模块位于帽壳中，帽壳中空处能够放置磁刺激线圈及通风冷却装置，多通道光学信号采集模块安装在弹性帽衬上。经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块中具有物理降噪措施，其中经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间隙中衬有海绵层，海绵层中设有多个弹簧装置，能够保证经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间距不大于2mm，多通道光学信号采集模块与头皮贴合处周围附有橡胶垫片，起到缓冲并有效减少多通道光学信号采集模块抖动的作用。具体地，耦合间隙内衬有薄海绵层，信号采集模块与头皮贴合处周边附有橡胶垫，以防磁刺激线圈振动带动近红外探头造成信号干扰。
多靶点经颅磁刺激模块位于帽壳中，包括一套磁头矩阵，其中包含有左右对称分布的4个圆型线圈，覆盖了左右背外侧前额叶、运动前区、初级运动区、感觉运动区等多个脑区，如图3A-D所示。圆型线圈具体尺寸为：内径58mm，外径72mm，框架厚度20mm，每个圆型线圈与均头皮平行，相接触的两个线圈可组成一个“8字型”线圈，组合后两个圆型线圈可互通反向电流。
在参数控制模块中可独立自由选择刺激靶点及每个线圈的刺激模式，包括刺激强度、时间、频率、间歇等参数，并实现单靶点刺激以及多靶点的同步刺激及时序刺激。
同步刺激：如图3中，当线圈A与C的同时通电可进行双侧脑区同步刺激，双侧脑区刺激时，刺激模式可以灵活变化，如一侧脑区可使用10Hz高频刺激，另一侧脑区可使用1Hz低频刺激，实现患侧高频，健侧低频的多靶点刺激；当线圈A与B同时通电时，可在线圈A、B中互通反向电流，组成“8”字型线圈；当线圈A、B、C、D同时通电时，可组成两个“8字型”线圈进行多靶点刺激。
时序刺激：如图3中，在线圈A的磁刺激结束后，再进行线圈B、C、D的刺激。当线圈A与B，C与D组成“8字型”线圈后，也可进行先AB再CD的时序刺激。时序刺激模式可根据受试者需要，在刺激参数可变的条件下，短时间内依次刺激多个靶点。
此外，神经肌肉电刺激模块可放置于上肢外伸肌群处，如图3E所示。参数控制模块可单独调整神经肌肉电刺激的刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率等。也可在磁刺激模块工作过程中，控制神经肌肉电刺激模块实施外周神经刺激，通过神经通路将刺激信号传递至中枢神经，与磁刺激进行协同调控，实现脑肢协同康复。
测试开始前需进行安全检查，确保周围环境、设备安全，受试者无佩戴金属件。佩戴光磁耦合设备，建立大脑皮层模型，开始同步检测。脑氧信号参数包括氧和血红蛋白浓度、还原血红蛋白浓度及局部脑氧饱和度(毫摩尔/升)。
将采集到的大脑皮层信号输入至对比分析模块。模块通过滑动平均、巴特沃斯滤波、独立成分分析等方法对信号进行预处理，并使用母小波对预处理后的信号进行连续的小波变换，将小波变换后的结果在时域内进行平均，可以得到每个氧合血红细胞信号在每一个时刻和频率下的小波幅值。
脑网络连接主要基于小波相位相干性来评价大脑不同区域之间的协调程度。小波相位相干性是利用信号的相位信息来评估两个信号关联性的一种方法，其通过定量表示两个信号的瞬时相位在整个时间序列持续过程中保持一致的程度来识别可能存在的连接性。通过WT，两个时间序列x1(tn)和x2(tn)在某频率f下的瞬时相位为
和
由此可以得到两个脑氧合血红蛋白相对浓度信号的瞬时相位差为：
随后，将
和
在时域内进行平均化得到
和
则WPCO的定义为：
小波相位相干性的值在0到1之间，其表征两个信号中某频率段成分的瞬时相位差在整个研究过程中保持恒定的趋势。小波相位相干性的值越大，表明两个脑区之间存在连接，反之则说明两个氧合血红蛋白相对浓度信号之间没有关联，即脑区间不存在连接。
为识别显著的相干性，本研究采用了幅值自适应的傅里叶变换法对功能连接及效应连接进行测试。该方法产生了数个与原始信号没有任何相位关系，但拥有相同均值、方差和自相关函数的替代信号。通过计算替代信号间的功能连接及效应连接，可将其作为对照来检验原始信号的真实水平。若实验信号在各频率段中高于替代信号的均值加两倍标准差，则说明在该频率段存在显著性。
通过小波相位相干性，可实时获得某一频率上的大脑连接偏侧化指数。偏侧化LI是由给定的患侧半球小波幅值WPCOC与对健侧半球小波幅值WPCOI的值计算，定义为：
LI＝(∑WPCOC-∑WPCOI)/(∑WPCOC+∑WPCOI) (3)
由此，可通过脑网络连接偏侧化指数评价经颅磁刺激效果，进而调整刺激参数，优化神经调控策略。
上述概述仅仅是为了说明的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
Claims (9)
1.一种多靶点光磁电耦合神经调控装置，包括：
-光磁电耦合模块，包括：
--经颅磁刺激模块，用于对受试者的一个或多个靶向脑区进行刺激；
--神经肌肉电刺激模块，用于对受试者的肢体端进行刺激；和
--多通道光学信号采集模块，用于实时采集和检测刺激过程中受试者的大脑皮层光信号；
-神经调控分析模块，包括：
--信号传输模块，用于分别收集由磁刺激、电刺激、联合刺激所引起的大脑皮层光信号的变化；
--对比分析模块，用于利用大脑皮层光信号来分析脑网络指标；和
--数据存储模块，用于存储对比分析模块的分析结果；以及
-参数控制模块，能够依据神经调控分析模块对大脑皮层光信号的分析比对结果，动态调控经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块的刺激模式和刺激参数，以提升经颅磁刺激和神经肌肉电刺激的有效性，
其中，经颅磁刺激模块和神经肌肉电刺激模块能够同时刺激多个脑区及肢体，也能够按时序刺激多个目标靶点，
其中，多通道光学信号采集模块能够在磁电刺激同时同步检测脑光学神经信号，对比分析模块能够调取数据存取模块中任意时刻下的指标数据，通过比对不同时刻的指标信息，能够判定神经调控的量效，并反馈给参数控制模块进行刺激模式和刺激参数调整。
2.根据权利要求1所述的多靶点光磁电耦合神经调控装置，其中，经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块间采用帽壳及弹性帽衬相结合的设计，经颅磁刺激模块位于帽壳中，帽壳中空处能够放置磁刺激线圈及通风冷却装置，多通道光学信号采集模块安装在弹性帽衬上。
3.根据权利要求1或2所述多靶点光磁电耦合神经调控装置，其中，经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块中具有物理降噪措施。
4.根据权利要求3所述多靶点光磁电耦合神经调控装置，其中，经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间隙中衬有海绵层，海绵层中设有多个弹簧装置，能够保证经颅磁刺激模块与多通道光学信号采集模块的间距不大于2mm，多通道光学信号采集模块与头皮贴合处周围附有橡胶垫片，起到缓冲并有效减少多通道光学信号采集模块抖动的作用。
5.根据权利要求1或2所述的多靶点光磁电耦合神经调控装置，其中，参数控制模块能够通过改变电流方向及大小，在线实时调整多靶点经颅磁刺激参数。
6.根据权利要求5所述的多靶点光磁电耦合神经调控装置，其中，参数控制模块所进行的在线实时调整包括：控制经颅磁刺激模块的线圈通电频率，实现高/低频重复磁刺激与持续/间断脉冲磁刺激的转换；控制经颅磁刺激模块的线圈通电个数及线圈电流方向，实现多种刺激方式的自由组合；通过控制线圈通电顺序，实现多个靶点的同步刺激，或时序刺激；通过调整通电电流大小，实现刺激强度的变化。
7.根据权利要求1或2所述的多靶点光磁电耦合神经调控装置，其中，参数控制模块能够调整神经肌肉电刺激模块中的电刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率，也能够在磁刺激模块工作过程中，控制神经肌肉电刺激与磁刺激的协同调控方式。
8.一种使用根据权利要求1至7中任一项所述的基于多靶点光磁电耦合神经调控装置进行测试的方法，包括以下步骤：
设置经颅磁刺激模块及神经肌肉电刺激模块的刺激模式及刺激参数，开始多靶点磁电神经调控；
通过多通道光学信号采集模块将经颅磁刺激、神经肌肉电刺激、以及联合刺激对大脑皮层产生的变化持续传输至信号分析模块，对比分析模块利用收集到的大脑皮层信号计算脑网络指标，并将分析结果不断存储至数据存取模块；
利用神经调控分析模块中的对比分析模块，从数据存取模块中调取任意两个时刻下的信号分析结果，通过比对各项脑网络指标，判断现阶段磁电神经调控方案的效用，
其中，多通道光学信号采集模块能够在磁电刺激的同时同步检测脑光学神经信号，对比分析模块能够调取数据存取模块中任意时刻下的指标数据，通过比对不同时刻的指标信息，能够判定神经调控的量效，并反馈给参数控制模块进行刺激模式和刺激参数调整。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，根据神经调控分析模块中的判定信息，在参数控制模块中在线调整经颅磁刺激靶点、刺激参数、以及刺激模式，包括磁刺激线圈组合方式、强度频率、刺激时序；调整神经肌肉电刺激的电刺激序列及刺激参数，包括电脉冲宽度、刺激强度、刺激频率；以及经颅磁刺激模块与神经肌肉电刺激模块的协同方式。
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