CN114404825A - 一种睡眠闭环经颅脑刺激方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种睡眠闭环经颅脑刺激方法及系统，包括以下步骤：采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号；将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号；设定肌电活动阈值并提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值以及脑电幅值和频域特征，判断实验对象的睡眠状态；计算实验对象的当前脑电相位，以及计算预测脑电相位与当前脑电相位的时间延迟，得到延时时间；当实验对象的睡眠为预设状态时，则在延时时间后向实验对象预设区域的发射锁相超声刺激信号。本申请通过闭环调控，达到超声调节睡眠脑电的目的，有效适应经颅超声刺激实验。
Description
技术领域
本公开一般涉及经颅超声刺激技术领域，具体涉及一种睡眠闭环经颅脑刺激方法及系统。
背景技术
大脑活动以不同的频率振荡，反映了同步化的活动，该活动以依赖于状态的方式组织神经元皮层网络中的信息处理和通信(Buzsaki和Draguhn，2004；Varela等人，2001)。<1Hz的慢振荡(SO)代表了这些振荡中最明显的一种，这些振荡标志着慢波睡眠(SWS)期间的脑电波(EEG)(Steriade，2006；Timofeev，2011)。SO在皮层和丘脑网络中产生，反映了在膜去极化的上升状态和兴奋性的增加以及超极化的下降状态和广泛的神经元静止之间交替的全局同步神经活动，这种活动遍及整个新皮层，还捕获了海马等皮质下结构(Isomura等人，2006年；Massimini等人，2004年)。重要的是，睡眠过程中的信息处理至关重要：除了参与突触缩小和内环境稳定(Tononi和Cirelli，2006)，SOs对记忆的巩固起着因果作用(Chauvette等人，2012；Diekelmann和Born，2010；Marshall等人，2006)。对于这种巩固功能，快速纺锤体活动(12–15Hz)与海马纹波与去极化上升状态的同步似乎至关重要(Molle等人，2011；Molle和Born，2011)。显著的功能刺激尝试通过外部刺激诱导同步皮层SO活动，主要是通过人类和大鼠的节律性电刺激、经颅磁刺激和听觉刺激(Marshall et al.，2006；Massimini et al.，2007；Tononi et al.，2010；Vyazovskiy et al.，2009)。重要的是，这些研究在大脑上施加了节奏，而忽略了正在进行的内源性振荡活动的阶段，这可能解释了伴随SO诱导的记忆保留功能的整体有限增强，在这里利用正在进行的振荡EEG活动，在闭环反馈系统中，与大脑自身节奏同步的锁相刺激，从而增强和延长睡眠期间的SOs序列。
近年来，脑刺激技术，如深部脑刺激、光遗传刺激和经颅磁刺激等迅速发展(Krauset al.，2016；张震等，2018)。TUS引起了人们的极大关注，并已被用于大量动物和人类实验(Bystritsky和Korb，2015；牛等，2018；于等，2019)。然而，针对TUS对睡眠状态和记忆的影响至今没有被揭示。因此，我们提出一种睡眠闭环经颅脑刺激方法及系统，以便于研究在睡眠状态下锁相TUS对小鼠的影响。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种有效适应经颅超声刺激实验，信号采集稳定、信号处理速度快、操作简单的睡眠闭环经颅脑刺激方法及系统。
第一方面，本申请提供一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，包括以下步骤：
采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号；
将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号；
设定肌电活动阈值并提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值以及脑电幅值和频域特征，判断实验对象的睡眠状态是否为预设状态；
当实验对象的睡眠状态为预设状态时，计算实验对象的当前脑电相位；
计算预测脑电相位与当前脑电相位的时间延迟，得到延时时间；
在延时时间后向实验对象预设区域的发射锁相超声刺激信号。
根据本申请实施例提供的技术方案，根据以下方法采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号：
所述预设区域包括：实验对象的脑部预设部位和身体预设部位；
分别采集脑部预设部位的第一脑电模拟信号与身体预设部位的第一肌电模拟信号；
所述第一脑电模拟信号和所述第一肌电模拟信号构成所述第一脑肌模拟信号。
根据本申请实施例提供的技术方案，根据以下方法判断实验对象的睡眠状态：
设定实验对象的肌电活动阈值；
提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值以及脑电幅值和频域特征；
若肌电活动峰值大于肌电活动阈值，则判定实验对象处于清醒状态；
若肌电活动峰值小于或等于肌电活动阈值，且脑电的幅值和频域特征满足睡眠状态下的条件，则判定实验对象处于睡眠状态。
根据本申请实施例提供的技术方案，根据以下方法计算实验对象的当前脑电相位：
获取实验对象的历史脑电；
从实验对象的历史脑电的目标频率范围中提取核心频率范围；
在核心频率范围中滤波，计算滤波脑电相位；
由滤波脑电推测实验对象的当前脑电和未来脑电,再计算当前相位。
第二方面，本申请提供一种基于上述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法的系统，包括：通信连接的电极模块、采集处理模块、经颅超声信号发生模块和经颅超声刺激模块；
所述电极模块，其与所述实验对象的预设区域连接，用于采集所述实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号，并发送所述采集处理模块；
所述采集处理模块，用于将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号，并在实验对象处于预设状态时向所述经颅超声信号发生模块发射超声参数控制指令；
所述经颅超声信号发生模块，用于根据超声参数控制指令，生成锁相超声刺激电信号，并将其在设定脑电相位发送至所述经颅超声刺激模块；
所述经颅超声刺激模块，用于在延时时间后向实验对象发射锁相超声刺激信号。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述电极模块包括：
脑电电极，用于采集所述实验对象的第一脑电模拟信号；所述脑电电极包括：一路第一采集电极和两路第一参考电极；所述第一采集电极插接在所述实验对象的脑组织中；所述第一参考电极插接在所述实验对象的鼻骨下的脑区；
肌电电极，用于采集所述实验对象的第一肌电模拟信号；所述肌电电极包括：一路第二采集电极和两路第二参考电极；所述第二采集电极与所述第二参考电极均插接在所述实验对象的颈部肌肉中。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述采集处理模块包括：通信连接的采集单元和第一计算单元；
所述采集单元，用于将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号，并发送至所述第一计算单元；
所述第一计算单元，用于根据第二脑肌数字信号，判断在实验对象处于预设状态时向所述经颅超声信号发生模块发射超声参数控制指令。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述经颅超声信号发生模块包括：通信连接的第二计算单元和信号放大单元；
所述第二计算单元，用于根据超声参数控制指令，生成锁相超声刺激电信号；
所述信号放大单元，用于放大锁相超声刺激电信号，得到锁相超声刺激电信号，并发送至所述经颅超声刺激模块。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述经颅超声刺激模块包括：超声换能单元和信号发射单元；
所述超声换能单元，用于接收所述锁相超声刺激电信号，并将其转换为超声波形式传输至所述信号发射单元；
所述信号发射单元，用于将超声波形式的锁相超声刺激信号发射至实验对象。
综上所述，本申请具体公开了一种睡眠闭环经颅脑刺激方法的具体流程。本技术方案通过采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号；将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号；设定肌电活动阈值并提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值和脑电的幅值和频域特征，判断实验对象的睡眠状态是否为预设状态；当实验对象的睡眠状态为预设状态时，计算实验对象的当前脑电相位；计算预测脑电相位与当前脑电相位的时间延迟，得到延时时间，在延时时间后向实验对象预设区域的发射锁相超声刺激信号。通过闭环调控，达到超声调节睡眠脑电的目的，有效适应经颅超声刺激实验。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一种睡眠闭环经颅脑刺激方法的流程示意图。
图2为一种睡眠闭环经颅脑刺激系统的流程示意图。
图中标号：1、电极模块；2、采集处理模块；3、经颅超声信号发生模块；4、经颅超声刺激模块；5、脑电电极；6、肌电电极；7、采集单元；8、第一计算单元；9、第二计算单元；10、信号放大单元；11、超声换能单元；12、信号发射单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参考图1所示的本申请提供的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法的流程示意图，包括以下步骤：
采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号；
此处，第一脑肌模拟信号为实验对象的原始脑肌信号；实验对象的类型，例如为小鼠；
具体地，预设区域包括：实验对象的脑部预设部位和身体预设部位；
分别采集脑部预设部位的第一脑电模拟信号与身体预设部位的第一肌电模拟信号；
由第一脑电模拟信号和第一肌电模拟信号构成所述第一脑肌模拟信号。
将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号；
设定肌电活动阈值并提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值和脑电的幅值和频域特征等，判断实验对象的睡眠状态；
具体地，根据以下方法判断实验对象的睡眠状态：
设定实验对象的肌电活动阈值；
提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值和脑电的幅值和频域特征等；
若肌电活动峰值大于肌电活动阈值，则判定实验对象处于清醒状态；
若肌电活动峰值小于或等于肌电活动阈值且脑电的幅值和频域特征满足睡眠状态下的条件，则判定实验对象处于睡眠状态。
计算脑电不同频段的功率，若Theta(4～8hz)功率占主导，即相对功率占比大于其他频段段脑电功率占比，则判定为REM(快速眼动睡眠)；若Delta(1～4hz)功率占主导，则判定为NREM(非快速眼动睡眠)。实现对睡眠状态的进一步判断。
获取实验对象的当前脑电相位；
具体地，根据以下方法计算实验对象的当前脑电相位：
获取实验对象的历史脑电；
利用AR功率谱从实验对象的历史脑电的目标频段中的功率集中频段中提取核心频率范围；
利用Butterworth滤波器在核心频率范围中滤波，再对滤波脑电进行时序预测得到当前脑电和未来脑电，并计算其相位，以消除直接对当前脑电滤波并提取当前相位带来的边缘效应带来的影响；
利用AR模型对滤波脑电进行单步预测得到实验对象的当前脑电和未来脑电，并利用希尔伯特变换计算当前脑电相位。
计算预测脑电相位与当前脑电相位的时间延迟，得到延时时间；
当实验对象的睡眠状态为预设状态时，则在延时时间后向实验对象预设区域的发射锁相超声刺激信号。
实现闭环调控睡眠脑电的目的，有效适应经颅超声刺激实验。
实施例2
如图2所示，本申请提供一种基于实施例1所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法的系统的流程示意图，包括：通信连接的电极模块1、采集处理模块2、经颅超声信号发生模块3和经颅超声刺激模块4；
电极模块1，其与实验对象的预设区域连接，用于采集检测当前状态下实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号，并发送采集处理模块2；
具体地，电极模块1包括：
脑电电极5，用于采集实验对象的第一脑电模拟信号；脑电电极5包括：一路第一采集电极和两路第一参考电极；第一采集电极插接在实验对象的脑组织中；第一参考电极插接在实验对象的鼻骨下脑组织中；
其中第一采集电极的类型，例如为单通道微丝电极；
肌电电极6，用于采集实验对象的第一肌电模拟信号；肌电电极6包括：一路第二采集电极和两路第二参考电极；第二采集电极与第二参考电极均插接在实验对象的颈部肌肉中。
采集处理模块2，用于将第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号，并在实验对象处于预设状态时向经颅超声信号发生模块3发射超声控制指令；实现实时电信号的采集与处理；
此处，采集处理模块2的采集频率设为30kHz；
具体地，采集处理模块2包括：通信连接的采集单元7和第一计算单元8；
采集单元7，用于将第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号，并发送至第一计算单元8；此处，采集单元7的类型，例如为神经信号处理器；其型号，例如为Apollo II神经信号处理器；
第一计算单元8，用于根据第二脑肌数字信号，判断在实验对象处于预设状态时向经颅超声信号发生模块3发射超声控制指令；此处，第一计算单元8的类型，例如为C++程序编写的MFC应用，用C++对第二脑肌数字信号进行的信号处理过程包括滤波，肌电脑电特征参数计算等。
经颅超声信号发生模块3，用于根据超声参数控制指令，生成锁相超声刺激电信号，并将其在设定脑电相位发送至经颅超声刺激模块4；
具体地，经颅超声信号发生模块3包括：通信连接的第二计算单元9和信号放大单元10；
第二计算单元9，用于根据超声参数控制指令，生成锁相超声刺激电信号；此处，第二计算单元9的类型，例如为C++编写的MFC程序；利用AR功率谱从历史脑电的目标频率范围中提取核心频率范围，并在该范围中滤波，计算得到滤波后的脑电相位。为了消除直接对当前脑电滤波的边缘效应带来的影响，利用AR模型，使用历史脑电值推测当前脑电和未来脑电，再利用希尔伯特变换提取当前脑电相位，计算预测脑电相位与当前脑电相位的时间延迟，得到延时时间。
信号放大单元10，用于放大锁相超声刺激电信号，得到放大后的锁相超声刺激电信号，并发送至经颅超声刺激模块4；此处，信号放大单元10的类型，例如为射频放大器；其型号，例如为E&I 240L。
其中，第一计算单元8和第二计算单元9均在上位机中使用了C++编写程序，可有效减小实验器材的种类与体积，保证了系统毫秒级的实时性，上位机中的大容量的数据存储空间，将各次所采集的数据和产生的超声数据进行存储，有利于实验后的离线分析。
经颅超声刺激模块4，用于在延时时间后向实验对象发射锁相超声刺激信号；
具体地，经颅超声刺激模块4包括：超声换能单元11和信号发射单元12；
超声换能单元11，用于接收锁相超声刺激电信号，并将其转换为超声波形式传输至信号发射单元12；此处，超声换能单元11的类型，例如为超声换能器，现将电功率转换为机械功率输出；超声换能器的规格为：中心频率设为500kHz，选用直径31mm的奥利巴斯超声换能器，型号为V301-SU；
信号发射单元12，用于将超声波形式的锁相超声刺激信号发射至实验对象；此处，信号发射单元12的类型，例如为准直器，准直器与超声换能器的输出端连接，将声波输出限定在一定范围内，可以使超声波有针对性地刺激实验对象目标脑区，从而排除不必要的干扰；在准直器内部填满超声耦合剂，可以很好地把超声传导到实验对象的颅骨。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号；
将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号；
设定肌电活动阈值并提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值以及脑电幅值和频域特征，判断实验对象的睡眠状态是否为预设状态；
当实验对象的睡眠状态为预设状态时，计算实验对象的当前脑电相位；
计算预测脑电相位与当前脑电相位的时间延迟，得到延时时间；
在延时时间后向实验对象预设区域的发射锁相超声刺激信号。
2.根据权利要求1所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，根据以下方法采集实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号：
所述预设区域包括：实验对象的脑部预设部位和身体预设部位；
分别采集脑部预设部位的第一脑电模拟信号与身体预设部位的第一肌电模拟信号；
所述第一脑电模拟信号和所述第一肌电模拟信号构成所述第一脑肌模拟信号。
3.根据权利要求1所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，根据以下方法判断实验对象的睡眠状态：
设定实验对象的肌电活动阈值；
提取第二脑肌数字信号中的肌电活动峰值以及脑电幅值和频域特征；
若肌电活动峰值大于肌电活动阈值，则判定实验对象处于清醒状态；
若肌电活动峰值小于或等于肌电活动阈值，且脑电的幅值和频域特征满足睡眠状态下的条件，则判定实验对象处于睡眠状态。
4.根据权利要求1所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，根据以下方法计算实验对象的当前脑电相位：
获取实验对象的历史脑电；
从实验对象的历史脑电的目标频率范围中提取核心频率范围；
在核心频率范围中滤波，得到滤波脑电；
由滤波脑电推测实验对象的当前脑电和未来脑电，并计算当前脑电相位。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法的系统，其特征在于，包括：通信连接的电极模块(1)、采集处理模块(2)、经颅超声信号发生模块(3)和经颅超声刺激模块(4)；
所述电极模块(1)，其与所述实验对象的预设区域连接，用于采集所述实验对象预设区域的第一脑肌模拟信号，并发送所述采集处理模块(2)；
所述采集处理模块(2)，用于将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号，并在实验对象处于预设状态时向所述经颅超声信号发生模块(3)发射超声参数控制指令；
所述经颅超声信号发生模块(3)，用于根据超声参数控制指令，生成锁相超声刺激电信号，并将其在设定脑电相位发送至所述经颅超声刺激模块(4)；
所述经颅超声刺激模块(4)，用于在延时时间后向实验对象发射锁相超声刺激信号。
6.根据权利要求5所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，所述电极模块(1)包括：
脑电电极(5)，用于采集所述实验对象的第一脑电模拟信号；所述脑电电极(5)包括：一路第一采集电极和两路第一参考电极；所述第一采集电极插接在所述实验对象的脑组织中；所述第一参考电极插接在所述实验对象的鼻骨下的脑区；
肌电电极(6)，用于采集所述实验对象的第一肌电模拟信号；所述肌电电极(6)包括：一路第二采集电极和两路第二参考电极；所述第二采集电极与所述第二参考电极均插接在所述实验对象的颈部肌肉中。
7.根据权利要求5所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，所述采集处理模块(2)包括：通信连接的采集单元(7)和第一计算单元(8)；
所述采集单元(7)，用于将所述第一脑肌模拟信号转换为第二脑肌数字信号，并发送至所述第一计算单元(8)；
所述第一计算单元(8)，用于根据第二脑肌数字信号，判断在实验对象处于预设状态时向所述经颅超声信号发生模块(3)发射超声参数控制指令。
8.根据权利要求7所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，所述经颅超声信号发生模块(3)包括：通信连接的第二计算单元(9)和信号放大单元(10)；
所述第二计算单元(9)，用于根据超声参数控制指令，生成锁相超声刺激电信号；
所述信号放大单元(10)，用于放大锁相超声刺激电信号，得到锁相超声刺激电信号，并发送至所述经颅超声刺激模块(4)。
9.根据权利要求5所述的一种睡眠闭环经颅脑刺激方法，其特征在于，所述经颅超声刺激模块(4)包括：超声换能单元(11)和信号发射单元(12)；
所述超声换能单元(11)，用于接收所述锁相超声刺激电信号，并将其转换为超声波形式传输至所述信号发射单元(12)；
所述信号发射单元(12)，用于将超声波形式的锁相超声刺激信号发射至实验对象。
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