CN114209982A - 基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，通过声学信号的旋律和强度与光学信号的脉宽和强度的智能化匹配互动，该装置实现了经耳道声学刺激深脑中枢和经颅光学刺激浅脑皮层的无创神经耦合刺激与交互调控，以实现中枢及周围神经系统调的可量化的主动式神经调控治疗康复。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械及神经调控系统技术领域，特别是涉及一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法。
背景技术
当代社会生活压力巨大，容易导致各类慢性神经精神疾病，特别是耳鸣、睡眠障碍、焦虑、精神分裂症、抑郁症、阿兹海默症痴呆等，这些神经精神类疾病都体现出神经功能障碍或改变的症状，这是一种脑神经电生理学机制所导致的神经系统紊乱或退行现象，目前临床上缺乏药物和外科手术治疗手段。通过耦合耳道声学刺激深脑中枢和经颅红外光刺激浅脑皮层的综合物理因子干预神经调控治疗手段是一种新治疗方案，目前尚未有此类综合神经调控治疗技术的报道，市场上也尚未出现此类产品。
在红外光刺激领域，在目前有多位学者的远/近红外照射实验均表明红外照射有增加脑组织血流量，促进脑细胞生长，增强脑细胞修复能力，抑制基因突变，改善认知、情绪、情感等脑功能。Hamblin 教授（美国）的团队证明了810nm的弱激光能改善神经元活性，增强线粒体功能，缓解神经元凋零。欧美市场上已有单一红外光刺激产品，但不具备适合多种神经功能障碍疾病的通用调控功能。
目前市场上的神经调控系统产品都不能将声学刺激和红外光脉冲刺激这两个不同物理因子神经调控方法关联起来，功能相对单一，不能满足临床需求。
发明内容
本发明主要针对解决目前市场上尚未解决的难治性神经功能障碍问题，研发的一款经耳道深脑声电刺激与经颅浅脑红外光脉冲刺激互动结合的综合无创神经调控系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统的控制方法，其步骤包括：
（1）输入或获取个性化的生理声学检测或其它神经生物反馈检测的检测信息；
（2）根据检测信息进行包括但不限于调幅、调频的信号处理，以通过声学信号发生模块产生声学刺激信号、光电信号发生模块产生光脉冲刺激信号；
（3）选择声学刺激信号与红外光脉冲的交互耦合调节的模式，以将经耳道刺激深脑中枢的声学信号与经颅刺激浅脑皮层的红外光脉冲信号进行耦合互调；
（4）进行深脑声学刺激和/或浅脑红外光脉冲刺激，使得声学刺激信号通过耳蜗转换为电刺激信号并实现深脑中枢物理电刺激和经颅生物光脉冲刺激浅脑皮层的同步耦合以及异步参数可控的声光无创神经调控。
本发明一个较佳实施例中，所述声学刺激信号和红外光脉冲的各项参数在刺激实施前和/或在刺激过程中，根据刺激进展、人体检测信息或者患者感受的刺激效果反馈信息，进行手动或自动的生成、调节和控制。
本发明一个较佳实施例中，声学刺激信号强度在人体耐受度以内，包括但不限于根据个性化人体生理声学和脑神经生物反馈检测结果而复合生成的调频和/或调幅声学信号、录制的声音信号、音乐信号、自然声学信号以及复合声学信号与录制声音信号的混合，红外光脉冲波长500nm至1500nm，功率密度5mw/cm2至5w/cm2，波形包括但不限于方波。
本发明一个较佳实施例中，通过信号处理及实施装置，使声学刺激信号的旋律和强度自动调节控制红外光脉冲的电脉冲的波形、宽度和幅度，又使红外光脉冲的波形、宽度和幅度自动调节声学刺激信号的旋律和强度，以实现声学信号与红外光脉冲信号的交互耦合调节。
本发明一个较佳实施例中，分别通过放置在耳道内或外的声学刺激模块以及贴在头皮上的光学刺激模块实施同步跟踪、异步的参数可调的物理声光耦合刺激干预的无创神经调控。
本发明一个较佳实施例中，声学刺激信号与红外光脉冲的交互耦合调节的模式包括但不限于直接交互调节模式、反馈交互调节模式、跟踪交互调节模式。
本发明一个较佳实施例中，声学信号跟随光脉冲信号变化的调节步骤包括但不限于：声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块检测到光学刺激模块输出的信号强度；根据跟踪算法、图形算法或公式算法计算得到与光脉冲刺激信号相对应的声学刺激信号的参数调节信息；声学刺激模块根据声学信号参数调节信息对声学刺激信号进行实际输出调节。
本发明一个较佳实施例中，光脉冲信号跟随声学信号变化的调节步骤包括但不限于：光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块检测声学刺激模块的声学信号输出值；根据跟踪算法、图形算法或公式算法计算得到与声学信号相对应的光脉冲信号的参数调节信息；光学刺激模块根据光脉冲信号参数调节信息对光脉冲刺激信号进行实际输出调节；其中，光脉冲信号的参数信息包括但不限于电脉冲的频率、幅度、占空比。
一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统，其包括：系统协调控制模块、声学信号发生模块、光电信号发生模块、声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块、光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块、声学刺激模块和光学刺激模块, 所述系统协调控制模块分别与声学信号发生模块、光电信号发生模块、声学刺激模块、光学刺激模块、声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块进行通信连接，以对其进行智能化控制，同时系统协调控制模块接收各个模块反馈的用于调整各个模块的参数，声学信号发生模块与声学刺激模块相连接以发送信号，声学刺激模块分别与声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块相连接进行互动，光电信号发生模块通过其电脉冲控制LED灯而产生红外光脉冲，并与光学刺激模块相连接以实施光学刺激，光学刺激模块分别与声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块相连接进行互动作。
本发明一个较佳实施例中，系统中的各个模块为一体式或分离式结构，且操作控制模式包括自动控制模式和手动操作模式，声学刺激模块置于人体外耳道、耳廓内或耳廓外，并通过耳道传导至并刺激耳蜗，光学刺激模块设置在人体的头部表皮。
本发明的有益效果是：通过信号处理及声、光及电子技术，实现了深脑声电刺激和浅脑生物光脉冲刺激互动结合，使声学刺激信号的旋律和强度可以调节电脉冲的宽度和幅度，还能使光脉冲的宽度和幅度调节声学信号的旋律和强度，并分别通过声刺激装置和红外光脉冲刺激照射装置实施同步跟踪、异步参数可调的综合物理因子干预神经声电光刺激的刺激方案，实现声控光、光控声交互刺激，可以用于神经退行性病变以及功能性神经障碍等疾病的康复性治疗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中直接交互调节的原理示意图；
图2是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中反馈互调的原理框架图；
图3是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统的原理框架图；
图4是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中声学刺激模块的电路原理示意图；
图5是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中声学刺激模块的原理示意图；
图6是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中图形算法示意图；
图7是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中声学信号跟随光脉冲信号变化的调节示意图；
图8是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中光脉冲波形示例图；
图9是本发明的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统中声学信号波形示例图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。
参照附图1-9，本发明实施例包括：
一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统，可以将红外光脉冲与声学信号的产生和应用进行相互关联，经过计算以及与各种脉冲波形结合后，输出综合神经调控方案，实现声控光、光控声的互相耦合综合刺激，同步或异步实施经耳道声学刺激深脑中枢与经颅红外光脉冲刺激浅脑皮层，优化无创神经生理和认知心理的刺激调控，以覆盖更多种神经功能障碍疾病，而且可以自适应对患者进行个性化互动调控的无创神经调控治疗，具有广阔的应用前景。
一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统，其包括但不限于：系统协调控制模块、声学信号发生模块、光电信号发生模块、用于使声学信号跟随产生红外光脉冲的电脉冲信号变化的声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块、光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块、声学刺激模块和光学刺激模块。其中，每个模块实体的组成可以是一体化结构，也可以是分离式结构。
系统协调控制模块分别与声学信号发生模块、光电信号发生模块、声学刺激模块、光学刺激模块、声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块、光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块进行通信连接，智能化控制上述模块的运行，同时接收各个模块的反馈信息以用于直接调节各个模块的相关参数。
其中，系统协调控制模块的CPU采用包括但不限于英特尔酷睿i7 系列，其最高主频高达3.6GHz，采用多线程技术，通常包含四核心八线程，三级缓存最高达16M，第一代接口为LGA 1366也有LGA1156接口，第二代为LGA1155，第四代为LGA 1150，第六代为LGA 1151，CPU基于Nehalem微架构，内置三通道DDR3内存控制器，采用超线程技术。
系统协调控制模块主要进行算法运算并控制本系统的工作，包括对系统功能和参数进行计算设定的功能，其作用是根据各个不同检测和治疗对象的疗效反馈信息，通过不同的算法精准得出不同的治疗参数作为输出值，做好系统运行的准备工作，调整各个模块功能参数正常，统筹调度各功能模块工作，并由嵌入包括但不限于操作程序、系统程序、硬盘、存储、USB接口、键盘、按钮、电源等部分构成，能通过鼠标键盘或自动操作软件的运行，从而确保各个模块功能运行正常和精准输出参数。
声学信号发生模块与声学刺激模块通信连接以发送信号，同时，将获得的数据信息反馈至系统协调控制模块，以便互调各模块参数。 声学信号发生模块，可以产生频率为0～20kHz的正弦等多种包括但不限于调幅、调频的波形信号，是一个能提供多种频率、波形、波幅、输出音频相应电信号的模块。
声学刺激模块置于人体的外耳道或者耳廓内或外，通过耳道刺激耳蜗产生电刺激信号。声学刺激模块分别与声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块互连并互动，并根据算法或采集的治疗反馈信息，计算出合适的输出参数来控制各类波形的参数，以生成具有多种类型的波形和波幅的声学信号，包括但不限于三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波，可以采用以上单个波形，也可以根据其贡献需求的权重进行两两叠加或多波形组合。
参见图4-5，这些声学信号刺激耳蜗转化为生物电刺激信号，生物电信号沿着听觉神经传输到神经中枢及周围神经系统，激活神经系统的大量具有电兴奋性的神经元。电刺激信号的电位超过一定阈值时，神经元会去极化并产生动作电位，通过这一系列脉冲式电冲动形成的电刺激信号从神经的一端传导至另一端，神经元通过动作电位进一步放大电信号，将扰乱神经系统里存在的杂乱信号，并将其去同步化，逐渐恢复相应神经系统的正常功能，又称将紊乱神经系统的再重塑，从而起到无创神经调控治疗耳鸣、睡眠障碍、抑郁、焦虑、强迫症等神经功能障碍的作用。
参见图4，U1是实现声学数字信号处理的一种芯片，其内部DAC与ADC使用5～150kHz采样率，内含更多的滤波器件及功放器件，在信号放大后，通过降噪电路，极大的提升了输出音频的信号精度，该器件集成了均衡器，可补偿耳机的频率响应，这些将使得音质输出效果更优。
声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块，当有光脉冲输出时，声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块的AD检测电路对光脉冲输出的幅度大小（峰值）进行检测，检测得到的幅度数据通过模块自身的计算得出声学信号调节信息来自动调节控制声学信号输出的响度，使得声学信号输出的响度跟随电脉冲的变化而变化，能够给患者更针对性的治疗和更全面的疗效体验。
ADC采用包括但不限于ADI公司的高速模数转换器，可以选用其低中频模数转换器这类数模转换器的采样速率高至200 MSPS，这类产品具有较高的信噪比（SNR），低的功耗，低的转换时间，大的杂散动态范围（SFDR），高精度（16位）等特征，如AD9655、LTM9012等等。
所述光电信号发生模块与光学刺激模块相连接并产生电脉冲信号，再由LED二极管转化为光脉冲信号，以实施生物光学刺激，所述光电信号发生模块将获得的数据信息反馈至系统协调控制模块，以实现模块参数的直接调控和/或各模块之间的参数互调。
光学刺激模块设置在人体的头部表皮，通过照射人体表皮达到经颅红外光脉冲刺激与治疗脑皮层或脑区的作用。光学刺激模块分别与声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块通信连接，通过软件算法得出数据，以自动控制各种波形包括但不限于方波，光电信号发生模块能够产生多种方波，包括但不限于本测试所用的10Hz和40Hz方波。这部分由光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块中的单片机选用三极管实现。
当声学信号输出时，光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块可以利用相关数据通过声光实验标定关系曲线得出的数值对应算法计算出参数来控制光模块产生红外光脉冲所需的电脉冲的频率、幅度、占空比，使红外光脉冲随声音的变化而改变，再通过红外光脉冲照射头皮，改善浅脑皮层血流，调节神经的兴奋和抑制，给使用者带来更良好的神经调控治疗效果，具有更优良的人体体验。
单片机采用是包括但不限于ATMEL公司的8位增强型产品AVR，精简指令集高速单片机ATmega328P-AU，32引脚TQFP封装，具有32K Bytes的片上闪存，这样产品就不用外接FLASH作为程序存储器。该芯片也有内部晶振，替代外部晶振保证医疗器械产品通过电磁兼容性实验。
光学刺激模块的电路包括LED发光二极管以及与二极管电性连接以驱动LED发光二极管发光的三极管，LED发光二极管能发出包括但不限于10组方波光脉冲，通过LED产生的光脉冲给头皮进行光照。
三极管在选取时集电极电流Ic必须大于200mA，可选择包括但不限于南京南山公司的M8550 NPN型三极管，其集电极电流Ic为800mA。
一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统的控制方法，其包括以下步骤：
（1）输入或获取个性化的生理声学检测或其它神经生物反馈检测的检测信息。
（2）根据检测信息，声学信号发生模块内置包括但不限于调幅、调频的信号处理算法进行信号处理并通过声学信号发生模块产生声学刺激信号，光电信号发生模块的电脉冲控制光学刺激模块的红外光LED而产生光脉冲。
声学刺激信号会刺激耳蜗以产生电刺激信号，电信号沿着听觉神经通路传入中枢及周围神经系统，激活神经元正常放电并将神经系统杂乱信号去同步化，实现深脑中枢神经调控。
光脉冲经头颅到达头皮层或脑区，光子能量促进皮层线粒体功能恢复，增加活性氧和活性氮，促进葡萄糖代谢，恢复和增强神经元功能，实现浅脑皮层生物光神经调控。
其中，所述声学刺激信号和红外光脉冲的各项参数可以在刺激实施前进行预先分别设置，也可以在刺激过程中，根据刺激进展、人体检测信息或者患者感受的刺激效果反馈信息，通过操作系统进行实时的手动或自动生成、调节和控制操作。
（3）选择声学刺激信号与红外光脉冲的交互耦合调节的模式，以将深脑声电刺激与浅脑红外光脉冲刺激进行耦合互调。
所述声学刺激信号与红外光脉冲可以分别通过声光实验标定数值曲线计算相关参数之间的对应关系和信号处理相结合的方法，产生输出适合人体特定神经刺激的信号波形和参数，使声学刺激信号的旋律和强度自动调节控制红外光脉冲的电脉冲的波形、宽度和幅度，又使红外光脉冲的波形、宽度和幅度自动调节声学刺激信号的旋律和强度，以实现声学信号与红外光脉冲信号的动态交互耦合调节，从而实现深脑物理声电刺激和浅脑生物光学（红外光脉冲）刺激的同步耦合以及异步参数可调可控的物理因子声电光综合刺激干预的无创神经调控方案。其中，可以通过自动或手动的方式对参数的调整、神经调控方案的实施等进行操作。
通过输出电路结合声光实验标定数值曲线参数对应算法来实现直接耦合互调，根据患者情况设置声学模块的调试参数，发送给声学模块；或查阅预设实验标定参数关系表格或通过算法计算得到相应光学参数，发送给光学模块，这种耦合互调可以让人体有更好的疗效和体验。
声学刺激信号与红外光脉冲的交互耦合调节可以分为三种模式，可以通过人工选择等方式进入其中任意一种模式，具体阐述如下：
（3.1）如图1所示，直接交互调节，这种方式是直接利用系统协调控制模块计算出互调参数值，并通过系统协调控制模块实现对其他模块的直接互调。
（3.2）如图2所示，反馈交互调节，具体为：光电信号发生模块直接实时将其参数反馈给系统协调控制模块，由系统协调控制模块计算出声学信号发生模块的相关参数，实现由光参数反馈引起的跟踪互调；声学信号发生模块直接实时将其参数反馈给系统协调控制模块的互调模块，由系统协调控制模块计算出光电信号发生模块的参数，实现由声参数反馈引起的跟踪互调。
（3.3）如图3所示，跟踪交互调节，具体为：声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块对光学刺激模块的信息进行采样量化，以计算出声学刺激信号的参数数值，直接调控声学刺激信号的产生，光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块对声学刺激模块的信息进行采样量化，以计算出光脉冲信号的参数数值，直接调控光声信号的产生。
（3.3.1）如图7所示，声学信号跟随光脉冲信号变化的调节步骤包括：声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块的AD检测电路模块检测到光学刺激模块输出的电信号的强度；根据跟踪算法或图形算法等计算得到与光脉冲信号相对应的声学信号的参数调节信息；声学刺激模块获取声学信号参数调节信息，并根据调节信息中的数据调节声信号的参数实际输出信息。
（3.3.2）光脉冲信号跟随声学信号变化的调节步骤包括：光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块的AD检测电路模块检测到声学刺激模块的声学信号输出值；根据跟踪算法或图形算法等计算得到与声学信号相对应的光脉冲信号的参数调节信息；光学刺激模块获取光脉冲信号参数调节信息，并根据调节信息中的数据调节光脉冲信号的参数实际输出信息。光脉冲信号的输出信息包括但不限于电脉冲的频率、幅度、占空比。
其中，所述声学刺激信号强度需在人体耐受度以内，声学刺激信号包括但不限于根据个性化人体生理声学和脑神经生物反馈检测结果而复合生成的调频和/或调幅声学信号、录制的声音信号、音乐信号、自然声学信号以及复合声学信号与录制声音信号的混合。
所述红外光脉冲的波长为500nm至1500nm，功率密度为5mw/cm2至5w/cm2，波形包括但不限于方波。
（3.3.3）所述跟踪算法是通过查询嵌入的对应关系数据表来获取不同物理量数值的对应关系。
作为一实施案例，对应关系数据表如下表所示：（光信号强度由发光二极管的电压表示，声信号分为10级）
| 光信号强度 | 0.5V | 1V | 1.5V | 2V | … | 5V |
| 声信号强度 | 1级 | 2级 | 3级 | 4级 | … | 10级 |
该算法由声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块/光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块直接实现而不通过系统协调控制模块CPU。
（3.3.4）如图6所示，所述图形算法就是根据实验数据绘制出不同物理量（比如光信号强度和声信号强度）的关系曲线（声光实验标定数值曲线），然后根据输入的参数类型和数值找到对应的输出参数类型和数值。比如光控声应用时，可根据给定的光信号在嵌入的关系曲线中查询得到相应的声信号的强度值。
该图形算法由声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块/光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块直接实现而不通过系统协调控制模块CPU。
（3.3.5）通过公式Y=10sin[（π/20）X]计算不同物理量（光信号强度Y和声信号强度X）的对应数值，其中Xϵ（1，10）。
当U1为可以实现检测和运算、内含独立的、高增益、频率补偿的双运算电路时，采用音频幅度获取单元中的峰值检波电路检测电脉冲的实时峰值幅度，并输出与实时峰值幅度对应的电压，通过ADC采样获得该电压从而得到电脉冲的强度值，再通过电脉冲幅度大小控制音量的强度，电脉冲幅度越大，则音量越强，反之，声音越弱。
该算法由声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块/光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块直接实现而不通过系统协调控制模块CPU。
（4）进行深脑声学刺激和/或浅脑红外光脉冲刺激。
分别通过放置在耳道内或外的声学刺激模块（或模块中的声音播放装置）以及贴在头皮上的光学刺激模块（或光学刺激模块中的红外光脉冲刺激照射装置）实施同步跟踪、异步的参数可调的物理声光耦合刺激干预的无创神经调控，以适合更多种神经功能障碍疾病，达到更好的治疗效果，让患者的治疗体验更好、更优。其中，如果单独进行声学刺激或浅脑红外光脉冲刺激，则可以不进行步骤（3）中的交互耦合调节而直接操作。
外耳声：将耳机戴上，让声学刺激信号传入中耳，引发鼓膜的震动，进一步使得听骨链连动，引起耳蜗内的淋巴液循环振动，导致耳蜗内听毛细胞做切割运动并释放电荷，从而实现机械振动转换为生物电信号，形成沿着听觉神经传入大脑中枢的深脑电刺激信号。
头皮光：通过多导电线链接包括但不限于10组LED灯，再通过脑电帽脑区位置在头皮分布并固定这10组LED灯，实现对人体不同头皮位置或脑区离散的光照，通过调节光学模块产生的包括但不限于方波电信号的频率、幅度、占空比来控制光照强度，使头皮层相应脑区内的生物光脉冲能量迅速传导，形成浅脑生物光刺激。
头皮层能在一定程度反映人脑健康状况，并反过来把这些情况传递到大脑。给皮层施加一个红外光脉冲信号的刺激（形成光按摩，并产生褪黑素），以进行浅脑生物光脉冲刺激，同时结合声学信号在中枢深脑进行的声电刺激，耳蜗将声学转换成生物电信号，以对听觉和中枢神经系统进行深脑电信号刺激。综合这两个不同物理因子干预方法，形成经耳道声学信号刺激深脑中枢与经颅生物光脉冲刺激浅脑皮层结合互调的综合无创神经调控，实现了一种人性化的、可调可控的、系统性无创神经调控治疗方案，可以覆盖更多神经功能障碍疾病，无需药物或手术，免去了服用药物的不良副作用或手术带来的难以恢复原状的破坏性严重后果。
参照图8-9所示，如声学信号幅度为0~20级，当调节声学信号的输出幅度至10级时，即要输出一定数值的红外光信号，通过检测电路对输出的声学信号前期的电信号幅度大小进行检测，检测后的数据送至光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块，通过计算得出相应光脉冲信号的参数值，再自动控制红外光脉冲的输出频率、幅度、占空比，使得光脉冲跟随声学信号变化而变化，产生内部电与外部电的相互结合，结合后自动形成一定的电位差，使电脉冲信号从神经系统上一端传导至另一端，当电脉冲刺激超过神经元阈值时，将激活神经系统的神经元并使其产生电兴奋，其动作电位进一步放大电信号，将神经系统里存在的杂乱信号去同步化，这就使得被杂乱信号重塑的中枢神经逐渐恢复其正常功能，实现神经再重塑，从而达到治疗耳鸣、眩晕、睡眠障碍、抑郁、焦虑、痴呆、偏头痛、疼痛管理和神经疲劳等神经功能和认知行为心理疾病的目的。
反之，如光电脉冲为0~10级，当调节光脉冲输出的频率、幅度、占空比时，即相当于输出为一定数值的电压，通过检测电路对输出的电压幅度大小进行检测，检测后的数据送至声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块，通过计算得出相应声学信号的参数数值，再自动控制调节声学信号的输出幅度、频率和/或波形，使得声学信号跟随电脉冲变化而变化，产生外部电与内部电的结合。外部电与内部电结合后自动形成电位差，从而使电刺激信号从神经一端传导至另一端，当电刺激超过神经元阈值时，将激活神经系统的神经元并产生电兴奋，其动作电位进一步放大电信号，将神经系统里存在的杂乱信号去同步化，这就使得被杂乱信号重塑的中枢神经逐渐恢复其正常功能，实现神经再重塑，从而达到治疗耳鸣、眩晕、睡眠障碍、抑郁、焦虑、痴呆、偏头痛、疼痛管理和神经疲劳等神经功能和认知行为心理疾病的目的。
本发明基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法的有益效果是：通过信号处理及声、光及电子技术，实现了深脑声电刺激和浅脑生物光脉冲刺激互动结合，使声学刺激信号的旋律和强度可以调节电脉冲的宽度和幅度，还能使光脉冲的宽度和幅度调节声学信号的旋律和强度，并分别通过声刺激装置和红外光脉冲刺激照射装置实施同步跟踪、异步参数可调的综合物理因子干预神经声电光刺激的刺激方案，实现声控光、光控声交互刺激，可以用于神经退行性病变以及功能性神经障碍等疾病的康复性治疗。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统的控制方法，其特征在于，步骤包括：
（1）输入或获取个性化的生理声学检测或其它神经生物反馈检测的检测信息；
（2）根据检测信息进行包括但不限于调幅、调频的信号处理，以通过声学信号发生模块产生声学刺激信号、光电信号发生模块产生光脉冲刺激信号；
（3）选择声学刺激信号与红外光脉冲的交互耦合调节的模式，以将经耳道刺激深脑中枢的声学信号与经颅刺激浅脑皮层的红外光脉冲信号进行耦合互调；
（4）进行深脑声学刺激和/或浅脑红外光脉冲刺激，使得声学刺激信号通过耳蜗转换为电刺激信号并实现深脑中枢物理电刺激和经颅生物光脉冲刺激浅脑皮层的同步耦合以及异步参数可控的声光无创神经调控。
2.根据权利要求1所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，所述声学刺激信号和红外光脉冲的各项参数在刺激实施前和/或在刺激过程中，根据刺激进展、人体检测信息或者患者感受的刺激效果反馈信息，进行手动或自动的生成、调节和控制。
3.根据权利要求1所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，声学刺激信号强度在人体耐受度以内，包括但不限于根据个性化人体生理声学和脑神经生物反馈检测结果而复合生成的调频和/或调幅声学信号、录制的声音信号、音乐信号、自然声学信号以及复合声学信号与录制声音信号的混合，红外光脉冲波长500nm至1500nm，功率密度5mw/cm2至5w/cm2，波形包括但不限于方波。
4.根据权利要求1所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，通过信号处理及实施装置，使声学刺激信号的旋律和强度自动调节控制红外光脉冲的电脉冲的波形、宽度和幅度，又使红外光脉冲的波形、宽度和幅度自动调节声学刺激信号的旋律和强度，以实现声学信号与红外光脉冲信号的交互耦合调节。
5.根据权利要求1所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，分别通过放置在耳道内或外的声学刺激模块以及贴在头皮上的光学刺激模块实施同步跟踪、异步的参数可调的物理声光耦合刺激干预的无创神经调控。
6.根据权利要求4所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，声学刺激信号与红外光脉冲的交互耦合调节的模式包括但不限于直接交互调节模式、反馈交互调节模式、跟踪交互调节模式。
7.根据权利要求6所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，声学信号跟随光脉冲信号变化的调节步骤包括但不限于：声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块检测到光学刺激模块输出的信号强度；根据跟踪算法、图形算法或公式算法计算得到与光脉冲刺激信号相对应的声学刺激信号的参数调节信息；声学刺激模块根据声学信号参数调节信息对声学刺激信号进行实际输出调节。
8.根据权利要求6所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统及控制方法，其特征在于，光脉冲信号跟随声学信号变化的调节步骤包括但不限于：光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块检测声学刺激模块的声学信号输出值；根据跟踪算法、图形算法或公式算法计算得到与声学信号相对应的光脉冲信号的参数调节信息；光学刺激模块根据光脉冲信号参数调节信息对光脉冲刺激信号进行实际输出调节；其中，光脉冲信号的参数信息包括但不限于电脉冲的频率、幅度、占空比。
9.一种基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统，其特征在于，包括：系统协调控制模块、声学信号发生模块、光电信号发生模块、声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块、光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块、声学刺激模块和光学刺激模块, 所述系统协调控制模块分别与声学信号发生模块、光电信号发生模块、声学刺激模块、光学刺激模块、声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块进行通信连接，以对其进行智能化控制，同时系统协调控制模块接收各个模块反馈的用于调整各个模块的参数，声学信号发生模块与声学刺激模块相连接以发送信号，声学刺激模块分别与声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块相连接进行互动，光电信号发生模块通过其电脉冲控制LED灯而产生红外光脉冲，并与光学刺激模块相连接以实施光学刺激，光学刺激模块分别与声学信号跟随光脉冲信号变化控制模块和光脉冲信号跟随声学信号变化控制模块相连接进行互动作。
10.根据权利要求9所述的基于声光互调和耦合刺激的无创神经调控系统，其特征在于，系统中的各个模块为一体式或分离式结构，且操作控制模式包括自动控制模式和手动操作模式，声学刺激模块置于人体外耳道、耳廓内或耳廓外，并通过耳道传导至并刺激耳蜗，光学刺激模块设置在人体的头部表皮。
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| CN115640827A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-01-24 | 首都师范大学 | 对电刺激数据处理的智能闭环反馈网络方法及系统 |
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