CN114159668A - 一种觉醒状态的控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种觉醒状态的控制方法、装置、设备及存储介质。该方法可包括：在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像；针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据；根据各目标直径数据确定待控制对象瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态；其中，时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源以及第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。本发明实施例的技术方案，可以准确且及时的控制觉醒状态。
Description
技术领域
本发明实施例涉及生物医学信号处理领域，尤其涉及一种觉醒状态的控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
觉醒是哺乳动物中普遍存在的一种生理和心理状态，当感觉器官被刺激而达到某个感知点时，哺乳动物被唤醒，即进入觉醒状态，由此机体才能较好地感知外部环境，并对外部环境和外界刺激做出反应。除此外，很多精神疾病都伴随着觉醒状态的异常，如过度觉醒在创伤后应激障碍(posttraumatic stress disorder，PTSD)症状的发展和维持中起着重要作用。综上可知，觉醒状态的有效控制可以应用在很多领域中，目前主要是通过药物进行觉醒状态的控制，但是其存在控制精度和控制时效性不高的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种觉醒状态的控制方法、装置、设备及存储介质，解决了觉醒状态的控制精度和控制时效性不高的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种觉醒状态的控制方法，可以包括：
在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像；
针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据；
根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态；
其中，时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
第二方面，本发明实施例还提供了一种觉醒状态的控制装置，可以包括：
眼部图像获取模块，用于在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像；
目标直径数据确定模块，用于针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据；
觉醒状态确定模块，用于根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态；
其中，时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
第三方面，本发明实施例还提供了一种觉醒状态的控制设备，可以包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现本发明任意实施例所提供的觉醒状态的控制方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明任意实施例所提供的觉醒状态的控制方法。
本发明实施例的技术方案，通过预先搭建好的包括两个通道恒流源的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行时间相干刺激，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，并且第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反，由此可以避免出现负载材料因单端接地而导致的不均匀刺激、及因为输入到第一压控恒流源和/或第二压控恒流源的电流和作用到负载材料上的电流的大小不一致而影响到脑区神经元的刺激精度的情况；针对在基于时间相干刺激器刺激脑区神经元时获取到的待控制对象的每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据，由此可以根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态。上述技术方案，由于待控制对象的觉醒状态可以通过一定的刺激强度对其的脑区神经元进行时间相干刺激来控制，并且该觉醒状态可以通过其的瞳孔的扩缩数据来确定，因此可以根据该扩缩数据确定此时的觉醒状态是否为期望的觉醒状态，如果否，则还可以通过调整刺激强度来再次控制觉醒状态，由此达到了觉醒状态的精准且及时控制的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种觉醒状态的控制方法的流程图；
图2是本发明实施例一中的一种觉醒状态的控制方法中通过组织模型测量时间相干刺激器产生的电场的示意图；
图3是本发明实施例一中的一种觉醒状态的控制方法中时间相干刺激器的电路结构的示意图；
图4是本发明实施例二中的一种觉醒状态的控制方法的流程图；
图5是本发明实施例三中的一种觉醒状态的控制方法的流程图；
图6是本发明实施例三中的一种觉醒状态的控制方法中基于时间相干刺激器刺激小鼠的SC神经元后小鼠的神经活动和觉醒状态的示意图；
图7是本发明实施例三中的一种觉醒状态的控制方法中不同频率下的时间相干刺激引起的瞳孔扩张和SC神经元活动的功率谱密度的示意图；
图8是本发明实施例四中的一种觉醒状态的控制装置的结构框图；
图9是本发明实施例五中的一种觉醒状态的控制设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一中提供的一种觉醒状态的控制方法的流程图。本实施例可以适用于精准且及时的控制觉醒状态的情况，尤其适用于通过时间相干刺激来精准且及时的控制觉醒状态的情况。该方法可以由本发明实施例提供的觉醒状态的控制装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，该装置可以集成在觉醒状态的控制设备上，该设备可以是各种用户终端或服务器。
参见图1，本发明实施例的方法具体包括如下步骤：
S110、在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像，该时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
其中，待控制对象可以是待控制其的觉醒状态的对象，其可以是实验动物如小鼠、猴子、兔子等，也可以是存在觉醒状态控制需求的人，在此未做具体限定。脑区神经元可以是待控制对象的目标脑区内的神经元，如丘脑枕神经元、上丘(superior colliculus,SC)神经元等。具体的，在哺乳动物中，SC是中脑的主要组成部分，负责加工中早期视觉信息，在快速整合和加工处理感知觉信息等方面发挥了重要作用；SC是一个分层结构，层数因物种而异；一般来说，SC的表层神经元接受来自视网膜的直接输入，并且几乎只对视觉刺激做出反应；SC的深层中还有与运动相关的神经元，能够激活眼球运动以及其他反应。
时间相干刺激器可以是预先搭建的用于对脑区神经元进行刺激的电路，经实验证明，基于该时间相干刺激器可以准确刺激到相应的脑区神经元，且不会造成任何副作用。具体的，该时间相干刺激器可以包括两个通道恒流源，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，并且第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反，即第二压控恒流源可以作为第一压控恒流源的反向参考电路。这样的时间相干刺激器的好处在于：一方面，两路的通道恒流源可以实现时间相干刺激。另一方面，第一压控恒流源和第二压控恒流源作为时间相干刺激器的输出部分给予负载材料以恒定的电流，由于二者间电连接，这让第一压控恒流源的输出具有一个中间接地参考点，由此可以避免出现负载材料因单端接地而导致的不均匀刺激的情况；同时，由于二者输出的电流的方向相反，这使得负载材料两端的电位恰好相反，由此解决了因为单端输出造成的负载材料电荷积累的问题，而电荷积累容易导致输入到第一压控恒流源和/或第二压控恒流源的电流和作用到负载材料上的电流的大小不一致，这会影响到脑区神经元的刺激精度。
在实际应用中，可选的，为了保证刺激到脑区神经元的电流能够影响到待控制对象的觉醒状态，经实验验证，第一压控恒流源和/或第二压控恒流源输出的电流的参数可以是正弦波、载波频率是2000Hz、差分频率是0.5-5Hz、电压幅值是0.8-1.2V等，在此未做具体限定。再可选的，与时间相干刺激器电连接的电极可以分别固定在待控制对象的目标脑区的左右两侧，每侧分别构成一个回路以电连接到相应的通道恒流源。示例性的，以目标脑区是SC并且待控制对象是小鼠为例，使用成年SPF级雄性C57BL/6J小鼠(6-8周龄，重约30克)，全部小鼠以3-5只/笼的密度饲养在洁净动物房内，恒定室温23-25℃，相对湿度50-60％，昼夜周期12/12h，饲料和饮水充足供应。使用4％的异氟烷麻醉小鼠，之后以1.5％的浓度进行维持。将头皮和脸部躯干剃毛并用70％乙醇消毒，使用牙科丙烯酸将两个不锈钢颅钉(0.8*4mm)固定在头骨上，作为电极。由此，可以通过调制出的各种参数下的电流对小鼠的颅骨电极和脸部电极组成的回路进行刺激。可选的，由于SC相对小鼠的前囟坐标为AP＝4mm；ML＝0.8mm；DV＝1.6mm，因此电极坐标可以是AP＝4mm；ML＝2.5mm和1.7mm。
为了确定时间相干刺激器产生的电场，可以通过圆柱体中的组织模型进行测量得到。具体的，使用直径为90mm的培养皿构建组织模型，并将两对电极对称地安装在培养皿的边缘，电极连接到时间相干刺激器。组织模型中充满了氯化钠溶液，调节盐浓度直到在2kHz和2mA交流电下，一对电极间的阻抗为3kΩ。基于两个由医用不锈钢针电极构成的正交的、间距为5mm的偶极电极测量电场。使用立体定位仪，以5mm的步长在组织模型中调整探头的位置，来自每个偶极电极的信号被馈送到示波器中，记录包络波形和大小。每个位置可以平均测量三次以减少噪声。经试验验证，通过改变电极的位置(如图2中A-B中的i)或电流比例(如图2中D-F中的i)调整干扰包络电场在组织模型中的分布是有效的，而保持电极的位置和电流比例不变，只改变电极的大小(如图2中C中的i)对干扰包络电场的分布影响较小，此时电极的尺寸为10mm*10mm和10mm*10mm，10mm*50mm和10mm*50mm。图2中A-F中的ii是绘制出的实验结果，其显示出沿Y方向和X方向的干扰电场包络幅度的细节。
获取待控制对象的眼部图像，在实际应用中，可选的，为了更好地从眼部图像中提取出瞳孔，可以基于如下方式完成眼部图像的采集：将大功率940nm红外LED灯放置在小鼠眼睛正前偏下20°左右的位置，对小鼠眼睛扇状铺开，照亮小鼠眼睛；与此同时，基于高透射率红外滤光镜过滤掉红外LED灯在小鼠眼球上的倒影，由此保证了瞳孔的有效提取。在此基础上，基于200Hz微距的镜头拍摄头部固定的待控制对象的眼部位置，拍摄距离为30cm，倍率为1.6，景深>2mm，且分辨率为1280*1024，由此得到了眼部图像。
S120、针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
其中，目标直径数据可以是待控制对象的瞳孔在眼部图像中的直径的数据，其可以通过多种方式确定，如从眼部图像中提取瞳孔的边界，然后根据该边界确定目标直径数据；再如从眼部图像中提取瞳孔的边界和中心点，然后根据该边界和中心点确定目标直径数据；等等，在此未做具体限定。
S130、根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态。
其中，由于在预设时间段内可以获取到多张眼部图像，并且基于S120可以得到每张眼部图像的目标直径数据，那么由此可以得到该预设时间段内的多个目标直径数据，进而可以根据这些目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，该扩缩数据可以通过多种方式进行表示，如扩张和/或缩放的次数、程度、频率等，在此未做具体限定。在实际应用中，可选的，可以对各目标直径数据进行高斯平滑，由此达到了剔除各目标直径数据中的噪声点的效果。实验验证，扩缩数据可作为衡量觉醒状态高低的指标，因此后续可以基于扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态，进而还可以根据此时的觉醒状态调整时间相干刺激器的刺激强度，以便再次调整觉醒状态，由此达到了觉醒状态的有效控制的效果。
需要说明的，上述技术方案，第一，可以无创地刺激到待控制对象的大脑深处(即脑区神经元)，由此达到了精准控制觉醒状态的效果；可以实现秒级的精确控制，由此达到了及时控制觉醒状态的效果；普适性较强，可跨物种应用。
本发明实施例的技术方案，通过预先搭建好的包括两个通道恒流源的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行时间相干刺激，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，并且第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反，由此可以避免出现负载材料因单端接地而导致的不均匀刺激、及因为输入到第一压控恒流源和/或第二压控恒流源的电流和作用到负载材料上的电流的大小不一致而影响到脑区神经元的刺激精度的情况；针对在基于时间相干刺激器刺激脑区神经元时获取到的待控制对象的每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据，由此可以根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态。上述技术方案，由于待控制对象的觉醒状态可以通过一定的刺激强度对其的脑区神经元进行时间相干刺激来控制，并且该觉醒状态可以通过其的瞳孔的扩缩数据来确定，因此可以根据该扩缩数据确定此时的觉醒状态是否为期望的觉醒状态，如果否，则还可以通过调整刺激强度来再次控制觉醒状态，由此达到了觉醒状态的精准且及时控制的效果。
一种可选的技术方案，每个通道恒流源还包括信号发生器和运算放大器，其中，运算放大器的输入端与信号发生器的输出端电连接，运算放大器的输出端分别与第一压控恒流源的输入端和第二压控恒流源的输入端电连接，该信号发生器可以是直接数字合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)信号发生器，将其与运算放大器相连，这是为了避免出现因其的输出功率有限而无法有效刺激到脑区神经元的情况。另一种可选的技术方案，每个通道恒流源还可包括输出变压器，输出变压器的输入端分别与第一压控恒流源的输出端和第二压控恒流源的输出端电连接，这样设置的原因在于：如果将两路的通道恒流源直接加载到同一负载材料上，这就相当于将二者的输出端直接相连，频率和相位不相等的电流会使这两路内的恒流反馈受到干扰，从而引起高次谐波的产生，影响到输出性能。为此，可以基于输出变压器作为两路间的隔离手段，当输出变压器是1：1的变压器时，基于输出变压器的输出特性，可以将各压控恒流源加载到输出变压器初次侧的电流被“复制”到负载材料上，而且不会干扰到恒流反馈。
为了更好地理解上述时间相干刺激器的具体结构，下面结合具体示例对其进行示例性的说明。示例性的，参见图3，CH1是第一通道恒流源，CH2是第二通道恒流源。以CH1为例，左上侧虚线框是运算放大器，左下侧虚线框是信号发生器，J1是第一压控恒流源，J2是第二压控恒流源，右侧虚线框是输出变压器，其中，信号发生器的输出端与运算放大器的输入端电连接，运算放大器的输出端分别与第一压控恒流源的输入端以及第二压控恒流源的输入端电连接，第一压控恒流源的输出端和第二压控恒流源的输出端均与输出变压器的输入端电连接，输出变压器的输出端连接到负载材料上，该负载材料可以是固定在待控制对象上的电极。CH2内的情况类似，在此不再赘述。
时间相干刺激器工作时，在CH1中，信号发生器产生电压为V1且频率为f1的波形，经运算放大器放大后输出到第一压控恒流源，产生相同波形的电流，电流大小与信号发生器的电压比例为2mA/V；同时，相同波形与频率的电压也被施加到第二压控恒流源，产生的电流波形与第一压控恒流源的电流波形反相。与CH1类似，在CH2中，第一压控恒流源(J3)产生的波形与信号发生器相同，频率为f2的同相电流波形，第二压控恒流源(J4)产生反相电流波形。
实施例二
图4是本发明实施例二中提供的一种觉醒状态的控制方法的流程图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。在本实施例中，可选的，获取待控制对象的眼部图像，可以包括：获取待控制对象的包括多个眼部图像的眼部视频：针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据，可以包括：将眼部视频输入到预先训练完成的目标检测模型中，并根据目标检测模型的输出结果，得到眼部视频中的各眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，其中目标检测模型包括Deeplabcut；针对每个眼部图像，根据眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
参见图4，本实施例的方法具体可以包括如下步骤：
S210、在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的包括多个眼部图像的眼部视频，该时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
其中，获取待控制对象的眼部视频，该眼部视频中包括多帧眼部图像。
S220、将眼部视频输入到预先训练完成的目标检测模型中，根据目标检测模型的输出结果，得到眼部视频中的各眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，该目标检测模型包括Deeplabcut。
其中，目标检测模型可以是预先训练完成的能够对眼部视频中的各帧眼部图像的中心点和各边界点进行识别追踪的Deeplabcut，因此在将眼部视频输入到该目标检测模型后，可以根据其的检测结果得到眼部视频中的各眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，由此达到了中心点和各边界点的准确识别的效果。
S230、针对每个眼部图像，根据该眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，确定该眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
其中，根据眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点确定目标直径数据的方式有多种，如对眼部图像中瞳孔的各边界点进行椭圆拟合，得到眼部图像中瞳孔的边界，根据边界确定眼部图像中瞳孔的第一直径数据；根据眼部图像中瞳孔的中心点和边界上的目标点，确定眼部图像中瞳孔的第二直径数据，该目标点可以是边界上的任一点；根据第一直径数据和第二直径数据，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据，如将两个直径数据的加权求和结果作为目标直径数据。当然，还可以通过其余方式确定目标直径数据，在此未做具体限定。
S240、根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态。
本发明实施例中的技术方案，通过获取待控制对象的包括多个眼部图像的眼部视频，并将该眼部视频输入到预先训练完成的包括Deeplabcut的目标检测模型中，由此可以根据目标检测模型的输出结果，准确得到眼部视频中各眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点；进而，针对每个眼部图像，根据眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据，由此达到了目标直径数据的准确确定的效果。
实施例三
图5是本发明实施例三中提供的一种觉醒状态的控制方法的流程图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。本实施例中，可选的，上述觉醒状态的控制方法，还可以包括：获取脑区神经元的神经信号，并对神经信号进行预处理，并根据预处理结果得到脑区神经元的活动数据；根据活动数据确定脑区神经元的活动变化频率，并根据扩缩数据确定瞳孔的扩缩变化频率；将电流的差分频率、活动变化频率和扩缩变化频率进行对比。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
参见图5，本实施例的方法具体可以包括如下步骤：
S310、在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像，该时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
S320、针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
S330、根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态。
S340、对获取的脑区神经元的神经信号进行预处理，根据预处理结果得到脑区神经元的活动数据，并根据活动数据确定脑区神经元的活动变化频率。
其中，获取脑区神经元的神经信号，该神经信号可以通过如下方式获取到：以待控制对象是小鼠为例，在小鼠的目标脑区注射AAV-syn-GCaMP6s或是AAV-CaMKIIa-GCaMP6s病毒两周后，将一根光纤植入目标脑区，基于与光纤连接的光纤记录系统得到神经信号，该神经信号也可以称为Ca2+信号。对神经信号进行预处理，然后根据预处理结果(即预处理后的神经信号)得到脑区神经元的活动数据，该活动数据可以表示出表示脑区神经元的活跃度。当获取到多个神经信号后，可以分别对各神经信号进行预处理，得到相应的活动数据。在实际应用中，可选的，可以对这些活动数据进行高斯平滑，剔除其中的噪声。进而，根据这些活动数据可以确定脑区神经元的活动变化频率，其可以表示出神经信号于单位时间内的变化次数，如当活动变化频率是2Hz时，这说明其于单位时间内上升下降各2次。
S350、根据扩缩数据确定瞳孔的扩缩变化频率。
其中，由于扩缩数据可以表示瞳孔扩张和/或缩放的次数，因此根据该扩缩数据可以确定瞳孔的扩缩变化频率，该扩缩变化频率可以表示瞳孔于单位时间内扩张和/或缩放的变化次数，如扩缩变化频率是5H时，这说明其于单位时间内扩张5次或是缩放5次。
S360、将电流的差分频率、活动变化频率和扩缩变化频率进行对比。
其中，差分频率可以表示电流于单位时间内的变化次数，如差分频率是0.5Hz时，这说明其于单位时间内变化半次。由于脑区神经元的活动是基于时间相干刺激器对其进行时间相干刺激后发生的，因此将差分频率、活动变化频率和扩缩变化频率进行对比，如果三者相一致，则说明时间相干刺激可以激活到脑区神经元的活动，并唤起待控制对象的觉醒状态。
本发明实施例的技术方案，通过获取脑区神经元的神经信号，对神经信号进行预处理后得到脑区神经元的活动数据，进而根据活动数据确定脑区神经元的活动变化频率；根据扩缩数据确定瞳孔的扩缩变化频率；进一步，将电流的差分频率、活动变化频率和扩缩变化频率进行对比，由此来验证时间相干刺激是否能够激活到脑区神经元的活动，并唤起待控制对象的觉醒状态。
一种可选的技术方案，神经信号包括第一信号通道下的第一神经信号以及第二信号通道下的第二神经信号，对神经信号进行预处理，并根据预处理结果得到脑区神经元的活动数据，可以包括：对第一神经信号和第二神经信号进行基线校正，并将基线校正后的第一神经信号和第二神经信号相减，得到预处理结果；通过如下式子得到脑区神经元的活动数据：
其中，
是活动数据，F是预处理结果，Fbaseline是在对脑区神经元进行刺激前的预设时间段内的基线荧光。具体的，第一神经信号可以是一纳米(nm)信号通道下的神经信号，其可以作为对照信号；第二神经信号可以是另一nm信号通道下的神经信号。示例性的，第一神经信号可以是405nm信号通道下的神经信号，第二神经信号可以是470nm信号通道下的神经信号。分别对这两个神经信号进行基线校正，由此来消减长时间记录引起的光漂白效应。在此基础上，为了降低非钙相关噪声的影响，以第一神经信号为对照信号，对第二神经信号进行扣除，由此完成预处理过程。
为了证明时间相干刺激器对脑区神经元刺激的有效性，下面结合具体实验对其进行示例性的说明。示例性的，参见图6，这是基于时间相干刺激器刺激小鼠的SC神经元后小鼠的神经活动和觉醒状态。具体的，图6中的A是实验装置示意图，将光纤植入头部固定的小鼠的SC中深层，并基于微距镜头全程拍摄小鼠的瞳孔活动，通过事后染色确定光纤植入的位置(如图6中的C)。SC区域上方头骨的右侧电极和右侧脸颊上的布基电极组成一个回路，电流为I1；SC区域上方头骨的左侧电极和左侧脸颊上的布基电极组成一个回路，电流为I2(如图6中的B)。时间相干刺激(I1为2000Hz，1mA电流，I2为2001Hz，1mA电流)在小鼠的瞳孔上引起扩张，同时唤起SC的神经活动(如图6中的D)。上述结果证明时间相干刺激可以无创地激活SC的神经活动，并唤起觉醒状态。在图6中，TI stimulation表示时间相干刺激，pupilsize瞳孔的扩缩数据，Ca2+signal表示神经信号，Fiber表示光纤。再示例性的，参见图7，这是不同频率下的时间相干刺激引起的瞳孔扩张和SC神经元活动的功率谱密度。如果选择2000Hz的载波频率和1Hz、2Hz的差分频率，时间相干刺激可以引起相应频率的瞳孔扩张活动和SC神经元相应频率的周期性活动；当时间相干刺激的差分频率上升到5Hz时，小鼠的瞳孔扩张活动就不再有相应的频率特征，但是神经活动依然含有5Hz的频率分量。
实施例四
图8为本发明实施例四提供的觉醒状态的控制装置的结构框图，该装置用于执行上述任意实施例所提供的觉醒状态的控制方法。该装置与上述各实施例的觉醒状态的控制方法属于同一个发明构思，在觉醒状态的控制装置的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述觉醒状态的控制方法的实施例。参见图8，该装置具体可包括：眼部图像获取模块410、目标直径数据确定模块420和觉醒状态确定模块430。
其中，眼部图像获取模块410，用于在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像；
目标直径数据确定模块420，用于针对于每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据；
觉醒状态确定模块430，用于根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态；
其中，时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
可选的，每个通道恒流源还包括信号发生器和运算放大器，其中运算放大器的输入端与信号发生器的输出端电连接，运算放大器的输出端分别与第一压控恒流源的输入端和第二压控恒流源的输入端电连接；和/或，
每个通道恒流源还包括输出变压器，输出变压器的输入端分别与第一压控恒流源的输出端和第二压控恒流源的输出端电连接。
可选的，电流的参数包括下述中的至少一个：正弦波、载波频率是2000Hz、差分频率是0.5-5Hz、及电压幅值是0.8-1.2V；和/或，脑区神经元包括上丘神经元和/或丘脑枕神经元。
可选的，眼部图像获取模块410，可以包括：
眼部图像获取单元，用于获取待控制对象的包括多个眼部图像的眼部视频。
相应的，目标直径数据确定模块420，可以包括：
边界点得到单元，用于将眼部视频输入到预先训练完成的目标检测模型中，并根据目标检测模型的输出结果，得到眼部视频中的各眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，其中目标检测模型包括Deeplabcut；
目标直径数据确定单元，用于针对每个眼部图像，根据眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
在此基础上，可选的，目标直径数据确定单元，可以包括：
第一直径数据得到子单元，用于对眼部图像中的瞳孔的各边界点进行椭圆拟合，得到眼部图像中瞳孔的边界，根据边界确定眼部图像中瞳孔的第一直径数据；
第二直径数据得到子单元，用于根据眼部图像中瞳孔的中心点和边界上的目标点，确定眼部图像中瞳孔的第二直径数据；
目标直径数据确定子单元，用于根据第一直径数据和第二直径数据，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
可选的，上述觉醒状态的控制装置，还可以包括：
活动数据得到模块，用于获取脑区神经元的神经信号，对神经信号进行预处理，并根据预处理结果得到脑区神经元的活动数据；
活动变化频率确定模块，用于根据活动数据来确定脑区神经元的活动变化频率；
扩缩变化频率确定模块，用于根据扩缩数据确定瞳孔的扩缩变化频率；
频率对比模块，用于对比电流的差分频率、活动变化频率和扩缩变化频率。
在此基础上，可选的，神经信号包括第一信号通道下的第一神经信号以及第二信号通道下的第二神经信号，活动数据得到模块，可以包括：
预处理结果得到单元，用于对第一神经信号和第二神经信号进行基线校正，并将基线校正后的第一神经信号和第二神经信号相减，得到预处理结果；
活动数据得到单元，用于通过如下式子得到脑区神经元的活动数据：
其中，
是活动数据，F是预处理结果，Fbaseline是在对脑区神经元进行刺激前的预设时间段内的基线荧光。
本发明实施例四提供的觉醒状态的控制装置，通过预先搭建好的包括两个通道恒流源的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行时间相干刺激，每个通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，并且第一压控恒流源以及第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反，由此可以避免出现负载材料因单端接地而导致的不均匀刺激、及因输入到第一压控恒流源和/或第二压控恒流源的电流和作用到负载材料上的电流的大小不同而影响到脑区神经元的刺激精度的情况；在此基础上，通过眼部图像获取模块、目标直径数据确定模块和觉醒状态确定模块相互配合，针对在基于时间相干刺激器刺激脑区神经元时获取到的待控制对象的每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据，由此可以根据这些目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以便根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态。上述装置，由于待控制对象的觉醒状态可以通过一定的刺激强度对其的脑区神经元进行时间相干刺激来控制，且该觉醒状态可以通过其的瞳孔的扩缩数据来确定，因此可以根据该扩缩数据确定此时的觉醒状态是否为期望的觉醒状态，如果否，则还可以通过调整刺激强度来再次控制觉醒状态，由此达到了觉醒状态的精准且及时控制的效果。
本发明实施例所提供的觉醒状态的控制装置可执行本发明任意实施例所提供的觉醒状态的控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
值得注意的是，上述觉醒状态的控制装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
实施例五
图9为本发明实施例五提供的一种觉醒状态的控制设备的结构示意图，如图9所示，该设备包括存储器510、处理器520、输入装置530和输出装置540。设备中的处理器520的数量可以是一个或多个，图9中以一个处理器520为例；设备中的存储器510、处理器520、输入装置530和输出装置540可以通过总线或其它方式连接，图9中以通过总线550连接为例。
存储器510作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中觉醒状态的控制方法对应的程序指令/模块(例如，觉醒状态的控制装置中的眼部图像获取模块410、目标直径数据确定模块420和觉醒状态确定模块430)。处理器520通过运行存储在存储器510中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的觉醒状态的控制方法。
存储器510可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等。此外，存储器510可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器510可进一步包括相对于处理器520远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置530可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置540可包括显示屏等显示设备。
实施例六
本发明实施例六提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时可用于执行一种觉醒状态的控制方法，该方法包括：
在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取待控制对象的眼部图像；
针对每个眼部图像，确定眼部图像中瞳孔的目标直径数据；
根据各目标直径数据确定待控制对象的瞳孔的扩缩数据，以根据扩缩数据确定待控制对象的觉醒状态；
其中，时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个通道恒流源包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，第一压控恒流源和第二压控恒流源分别输出的用于刺激脑区神经元的电流的方向相反。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的觉醒状态的控制方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。依据这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种觉醒状态的控制方法，其特征在于，包括：
在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取所述待控制对象的眼部图像；
针对每个所述眼部图像，确定所述眼部图像中瞳孔的目标直径数据；
根据各所述目标直径数据确定所述待控制对象的所述瞳孔的扩缩数据，以根据所述扩缩数据确定所述待控制对象的觉醒状态；
其中，所述时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个所述通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，所述第一压控恒流源和所述第二压控恒流源分别输出的用于刺激所述脑区神经元的电流的方向相反。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述通道恒流源还包括信号发生器和运算放大器，其中，所述运算放大器的输入端与所述信号发生器的输出端电连接，所述运算放大器的输出端分别与所述第一压控恒流源的输入端和所述第二压控恒流源的输入端电连接；和/或，
每个所述通道恒流源还包括输出变压器，所述输出变压器的输入端分别与所述第一压控恒流源的输出端和所述第二压控恒流源的输出端电连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流的参数包括下述中的至少一个：正弦波、载波频率是2000Hz、差分频率是0.5-5Hz、及电压幅值是0.8-1.2V；和/或，所述脑区神经元包括丘脑枕神经元和/或上丘神经元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述待控制对象的眼部图像，包括：获取所述待控制对象的包括多个眼部图像的眼部视频：
所述针对每个所述眼部图像，确定所述眼部图像中瞳孔的目标直径数据，包括：
将所述眼部视频输入到预先训练完成的目标检测模型中，并根据所述目标检测模型的输出结果，得到所述眼部视频中的各所述眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，其中所述目标检测模型包括Deeplabcut；
针对每个所述眼部图像，根据所述眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，确定所述眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述眼部图像中瞳孔的中心点和各边界点，确定所述眼部图像中瞳孔的目标直径数据，包括：
对所述眼部图像中瞳孔的各边界点进行椭圆拟合，得到所述眼部图像中瞳孔的边界，并根据所述边界确定所述眼部图像中瞳孔的第一直径数据；
根据所述眼部图像中瞳孔的中心点和所述边界上的目标点，确定所述眼部图像中瞳孔的第二直径数据；
根据所述第一直径数据和所述第二直径数据，确定所述眼部图像中瞳孔的目标直径数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取所述脑区神经元的神经信号，对所述神经信号进行预处理，并根据预处理结果得到所述脑区神经元的活动数据；
根据所述活动数据确定所述脑区神经元的活动变化频率；
根据所述扩缩数据确定所述瞳孔的扩缩变化频率；
将所述电流的差分频率、所述活动变化频率和所述扩缩变化频率进行对比。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述神经信号包括第一信号通道下的第一神经信号以及第二信号通道下的第二神经信号，所述对所述神经信号进行预处理，并根据预处理结果得到所述脑区神经元的活动数据，包括：
对所述第一神经信号和所述第二神经信号进行基线校正，并将基线校正后的所述第一神经信号和所述第二神经信号相减，得到预处理结果；
通过如下式子得到所述脑区神经元的活动数据：
其中，
是所述活动数据，F是所述预处理结果，Fbaseline是在对所述脑区神经元进行刺激前的预设时间段内的基线荧光。
8.一种觉醒状态的控制装置，其特征在于，包括：
眼部图像获取模块，用于在基于预先搭建的时间相干刺激器对待控制对象的脑区神经元进行刺激时，获取所述待控制对象的眼部图像；
目标直径数据确定模块，用于针对每个所述眼部图像，确定所述眼部图像中瞳孔的目标直径数据；
觉醒状态确定模块，用于根据各所述目标直径数据确定所述待控制对象的所述瞳孔的扩缩数据，以根据所述扩缩数据确定所述待控制对象的觉醒状态；
其中，所述时间相干刺激器包括两个通道恒流源，每个所述通道恒流源均包括电连接的第一压控恒流源和第二压控恒流源，所述第一压控恒流源和所述第二压控恒流源分别输出的用于刺激所述脑区神经元的电流的方向相反。
9.一种觉醒状态的控制设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一所述的觉醒状态的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的觉醒状态的控制方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024108669A1 (zh) * | 2022-11-25 | 2024-05-30 | 深圳先进技术研究院 | 觉醒状态检测系统及方法 |
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2021
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