CN114847972B - 一种经颅脑刺激多通道数据采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种经颅脑刺激多通道数据采集系统及方法，包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、多通道脑电信号采集模块、蓝牙通信模块、及电极模块；经颅超声信号发生模块用于生成所需要的刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；经颅超声刺激模块用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激；电极模块用于采集实验对象的脑电信号；多通道脑电信号采集模块用于采集多处电极模块的信号；蓝牙通信模块用于传输采集数据；本申请的有益效果是：通过数据无线传输使动物在超声刺激实验中保持自由活动状态并且通过多通道数据融合使得采集的数据噪声达到最低。
Description
技术领域
本发明属于经颅超声刺激技术领域，具体涉及一种经颅脑刺激多通道数据采集系统及方法。
背景技术
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；米洛舍维奇等人，2018年；张震等，2018)。与开环脑刺激相比，闭环脑刺激可以通过大脑状态实时进行脑神经调节，实现有针对性的按需刺激(Muller et al.，2012；Cagnan等人，2017年；周等，2019)。对记忆和学习机制的研究表明，在神经振荡的特定阶段对脑组织的刺激会产生不同的效果，如长期增强或长期抑制(Hyman et al.，2003；Ezzyat等人，2018年)。经颅超声刺激(TUS)是一种物理神经调节技术，无创、穿透深度大，空间分辨率高(Bystritsky等，2011；Fomenko等人，2018年)。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，这些设备大多采用有线的数据传输方式限制了实验对象的活动；在数据采集方面大多数的实验设备只对单一采集通道的单一数据进行处理，存在数据采集不全面，应用效果受影响等缺点。因此，我们需要一种数据无线传输，可进行多通道数据采集数据融合的系统方案。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种经颅脑刺激多通道数据采集系统及方法。
第一个目的，本申请提供一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，具体包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、多通道脑电信号采集处理模块、无线蓝牙通信模块及电极模块；所述电极模块电连接至实验对象上，用于采集实验对象的脑电信号；所述多通道脑电信号采集处理模块与多处电极模块电连接，所述蓝牙通信模块与多通道脑电采集处理模块电连接，用于采集数据的无线传输；经颅超声刺激模块与经颅超声信号发生模块电连接；所述多通道脑电信号采集处理模块配置用于采集电极模块的信号，在进行单通道信号处理后，并进行多通道数据融合；所述经颅超声信号发生模块用于生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；所述经颅超声刺激模块用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述脑电信号采集处理模块包括前端放大器、微电极AC放大器、神经信号处理器及第一计算单元；所述前端放大器与电极模块电连接，用于对接收的电极模块发送的脑电信号进行信号放大，并将放大后信号发送至微电极AC放大器；所述微电极AC放大器配置用于对脑电信号进行放大和滤波处理，并将处理后信号发送至神经信号处理器；所述神经信号处理器配置用于将脑电信号转化为相应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至第一计算单元；所述第一计算单元配置用于对数字信号进行信号处理。所述无线蓝牙通信模块配置用于对处理好的数据进行无线数据传输。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述经颅超声信号发生模块包括第二计算单元及功率放大器；所述第二计算单元按给定的参数生成控制波形信号；所述功率放大器将控制波形信号进行放大处理，并将处理后的控制信号发送至经颅超声刺激模块。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述经颅超声刺激模块包括超声换能器及准直器；所述超声换能器配置用于将所述射频放大器发送的控制信号使能为超声波输出；所述准直器固定连接在超声换能器的输出端，配置用于将超声波输出限定在设定范围内向实验对象发射。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述电极模块模块包括脑电电极，所述脑电电极配置用于采集实验对象的脑电信号，所述脑电电极包括四路，其中的两路路电极插在实验对象的颅骨上，另两路电极插接在实验对象鼻骨上作为参考电极；
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一计算单元内置有PCI-5122数字信号采集卡，第二计算单元内置有AD9850波形发生器。
本发明的第二个目的是提供一种多通道数据融合方法，具体包括以下步骤：
S1经颅超声刺激模块根据接收的控制信号向实验对象的预设区域使能超声波刺激。
S2电极模块采集实验对象的原始脑电信号，并将其发送至脑电信号采集处理模块；
S3脑电信号采集处理模块将接收的每一个通道的原始脑电信号进行初步处理，并将初步处理后得到的颅骨上2个通道的脑电信号数据进行融合处理得到优化后的脑电信号，最后得到第一脑电信号；
S4脑电采集处理模块将第一脑电信号发送给无线蓝牙通信模块。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S1根据接收的控制信号向实验对象的预设区域使能超声波刺激，所述控制信号包括对超声波的幅值、时长的控制信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S2中电极模块采集实验对象的原始脑电信号，具体包括将脑电电极连接至实验对象的脑部预设部位，脑电电极采集实验对象的脑电信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述脑电信号采集处理模块将接收的原始脑电信号进行处理，得到第一脑电信号，具体包括以下步骤：
S31、将原始脑电信号经过前端放大器进行信号放大；
S32、经微电极AC放大器进行差分放大及滤波得到颅骨上的两个通道的脑电信号；
S33、经神经信号处理器将模拟信号转化为数字信号；
S34、将颅骨上的每个通道的脑电信号转化为的数字信号数据分别进行卡尔曼滤波，得到最优预测估计值即优化后的单一通道脑电信号值，最后进行数据融合得到融合后的数据。
将局部估计结果进行融合，即取两个通道滤波后的脑电信号值的方差做权重进行加权得到均值进行数据融合得到优化后的数据信号。
经第一计算单元进行希尔伯特变换，取包络求得脑电信号峰值形成所述第一脑信号。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果如下：
本申请提供一种经颅脑刺激多通道脑电数据采集系统及方法，经颅超声信号发生模块根据设置好的参数配置对实验对象的信号参数，使得经颅超声刺激模块按照经颅超声信号发生模块发出的信号参数对实验对象发射超声波，产生脑电信号。电极模块用于检测实验对象的脑电信号，脑电信号采集处理模块采集了脑电信号后经过初步的处理进行多通道数据融合，得到优化后的数据。无线蓝牙通信模块将处理后的数据进行无线传输。本发明设备可适用多种场景，通过数据无线传输使动物在超声刺激实验中保持自由活动状态并且通过多通道数据融合使得采集的数据噪声达到最低。
附图说明
图1为本申请一种经颅脑刺激多通道数据采集系统的原理框图；
图2为本申请一种多通道数据融合方法的流程图；
图3为图2中S3步骤的具体流程图；
图4为图3中S34步骤的具体流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
如图1所示为本申请的一种经颅脑刺激多通道脑电数据采集系统原理框图，包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、脑电信号采集处理模块、电极模块及无线蓝牙通信模块；电极模块电连接至实验对象上，用于采集实验对象的脑电信号；脑电信号采集处理模块与电极模块电连接，经颅超声信号发生模块与经颅超声刺激模块电连接；脑电信号采集处理模块配置用于采集电极模块的信号，并进行信号处理；经颅超声信号发生模块配置用于生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；经颅超声刺激模块配置用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激；无线蓝牙通信模块配置用于传输最后的第一脑电信号数据。
本实施例中，实验对象设置为实验室进行试验时常用的小白鼠，所述电极模块模块包括脑电电极，所述脑电电极配置用于采集实验对象的脑电信号；所述脑电电极包括四路，其中的两个单通道微丝电极插在实验对象颅骨上的M1主运动皮区，另两路电极插接在实验对象鼻骨上作为参考电极。本实施例中，脑电信号采集处理模块对电极模块的采集频率设为2kHz。
本实施中，经颅超声信号发生模块根据所设定的参数产生所需要的刺激信号发送给经颅超声刺激模块；经颅超声刺激模块根据接收的刺激信号向实验对象发射超声刺激的信号；电极模块检测当前状态下实验对象的脑电信号，脑电信号采集处理模块采集当前的脑电信号将接收的每一个通道的原始脑电信号进行初步处理，并将2个通道的初步处理后得到的脑电信号数据进行数据融合处理得到优化后的脑电信号数据，最后得到第一脑电信号数据发送至无线蓝牙通信模块。
在一优选实施例中，所述脑电信号采集处理模块包括前端放大器、微电极AC放大器、神经信号处理器及第一计算单元；所述前端放大器与电极模块电连接，用于对接收的电极模块发送的脑电信号进行信号放大，并将放大后信号发送至微电极AC放大器；所述微电极AC放大器配置用于对脑电信号进行放大和滤波处理，并将处理后信号发送至神经信号处理器；所述神经信号处理器配置用于将脑电信号转化为相应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至第一计算单元；所述第一计算单元配置用于对数字信号进行信号处理，并将处理后的信号发送至无线蓝牙通信模块。
本优选实施例中，第一计算单元内置有PCI-5122数字信号采集卡。本优选实施例中，第一计算单元应用PCI-5122数字信号采集卡功能，其对数字信号进行的信号处理过程包括先进行单通道的卡尔曼滤波再通过取两个通道滤波后的脑电信号值的方差做权重进行加权得到均值进行数据融合得到优化后的数据信号经希尔伯特变换取包络，然后提取脑电信号的峰值得到第一脑电信号数据。最后将第一脑电信号数据送入无线蓝牙通信模块模块。本优选实施例中，微电极AC放大器的型号采用Microelectrode AC Amplifier\MODEL1800，神经信号处理器的型号采用美国Blackrock Microsystems公司的Cerebus-128神经信号处理器，无线蓝牙通信模块模块采用SKYLAB公司的SKB360蓝牙通信模块。
本优选实施方式中，第二计算单元内置有AD9850波形发生器。本优选实施例中，第二计算单元应用AD9850波形发生器功能产生相应的波形，并将产生的波形信号由输出口发射出去，功率放大器将AD9850波形发生器发出的信号进行电压放大处理。功率放大器，是指在给定失真率的条件下，能产生功率输出以驱动某一负载的放大器，本优选实施例中功率放大器的型号为LM7171电压反馈放大器。
在一优选实施例中，所述经颅超声刺激模块包括超声换能器及准直器；所述超声换能器配置用于将所述电压放大器发送的控制信号使能为超声波输出；所述准直器固定连接在超声换能器的输出端，配置用于将超声波输出限定在设定范围内向实验对象发射。
超声换能器是一种有源器件，可以实现将电功率转换为机械功率输出，即将电能转换为声能的一种装置，而且这个过程只有很小的功率损耗(超声波为一种机械波)。本优选实施例中，超声换能器产生超声，其中心频率设为500kHz，选用直径31mm的奥利巴斯超声换能器，型号为V301-SU，通过准直器的引导可以准确刺激实验对象的特定脑区。准直器是一种将声波输出限定在一定范围内的装置，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。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。
如图2所示为本申请的第二种实施例，本实施例是应用第一种实施例的系统的数据采集方法，包括以下步骤：
S1经颅超声刺激模块根据接收的控制信号向实验对象的预设区域使能超声波刺激；
S2、电极模块采集实验对象的原始脑电信号，并将其发送至脑电信号采集处理模块；
本步骤具体包括：将脑电电极连接至实验对象的脑部预设部位，脑电电极采集实验对象的脑电信号；
S3、脑电信号采集处理模块将接收的原始脑电信号进行初步处理，得到第一脑电信号。
如图3所示，本步骤具体包括以下步骤：
S31、将原始脑电信号经过前端放大器进行信号放大；
S32、经微电极AC放大器进行差分放大器及滤波；
S33、经神经信号处理器将模拟信号转化为数字信号；
S34、经第一计算单元对单通道采集的数据进行卡尔曼滤波再对两通道的数据进行加权均值处理得到数据融合后的数据信号；
如图4所示，本步骤具体包括以下步骤：
在第一计算单元中，将2个单通道的脑电信号数据进行处理，则系统的状态方程和观测方程为
(1)式中：x(t)为t时刻的系统状态，即为脑电的实际值；w(t)系统噪声，其协方差为w；zi(t)为观测值，即脑电采集模块两通道各自的测量值；vi(t)为测量噪声，其协方差为vi，i＝1，2；因此可由当前t时刻系统状态x(t|t)分别得到下一时刻两通道的先验估计值xi(t|t+1)为：
xi(t|t+1)＝x(t|t) (2)
则有误差协方差Pi(t+1|t)为：
Pi(t+1|t)＝Pi(t|t)+w (3)
根据式(2)和式(3)可迭代求得卡尔曼增益Ki(t+1)，后验估计值xi(t+1|t+1)并更新误差协方差Pi(t+1|t+1)，其递推公式分别为：
xi(t+1|t+1)＝xi(t+1|t)+Ki(t+1)·[zi(t+1)-xi(t+1|t)] (5)
Pi(t+1|t+1)＝[1-Ki(t+1)]·Pi(t+1|t) (6)
根据式(5)和式(6)可得x1(t+1|t+1)、x2(t+1|t+1)和对应的误差协方差P1(t+1|t+1)、P2(t+1|t+1)可融合得到系统融合状态值x(t+1|t+1)为：
由式(1)～式(7)可知，基于卡尔曼滤波的多通道数据融合方法实现状态预测、预测修正、方差更新及状态融合的过程，获得优化后的融合数据。
S35、经第一计算单元将数据融合后的数据进行希尔伯特变换，取包络求得脑电信号峰值形成所述第一脑电信号；
S4、脑电采集处理模块将第一脑电信号发送给无线蓝牙通信模块。
Claims (8)
1.一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、多通道脑电信号采集处理模块、无线蓝牙通信模块及电极模块；电极模块电连接至实验对象上，用于采集实验对象的脑电信号；多通道脑电信号采集处理模块与多处电极模块电连接，蓝牙通信模块与多通道脑电采集处理模块电连接，用于采集数据的无线传输；经颅超声刺激模块与经颅超声信号发生模块电连接；多通道脑电信号采集处理模块用于采集电极模块的信号，在进行单通道信号处理后，并进行多通道数据融合；经颅超声信号发生模块用于生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；经颅超声刺激模块用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激；
使用一种经颅脑刺激多通道数据采集系统进行多通道数据融合方法，具体包括以下步骤：
S1经颅超声刺激模块根据接收的控制信号向实验对象的预设区域使能超声波刺激；
S2电极模块采集实验对象的原始脑电信号，并将其发送至多通道脑电信号采集处理模块；
S3多通道脑电信号采集处理模块将接收的每一个通道的原始脑电信号进行初步处理，并将初步处理后得到的颅骨上2个通道的脑电信号数据进行融合处理得到优化后的脑电信号，最后得到第一脑电信号；
多通道脑电信号采集处理模块将接收的原始脑电信号进行处理，得到第一脑电信号，具体包括以下步骤：
S31、将原始脑电信号经过前端放大器进行信号放大；
S32、经微电极AC放大器进行差分放大及滤波得到颅骨上的两个通道的脑电信号；
S33、经神经信号处理器将模拟信号转化为数字信号；
S34、将颅骨上的每个通道的脑电信号转化为的数字信号数据分别进行卡尔曼滤波，得到最优预测估计值即优化后的单一通道脑电信号值，最后进行数据融合得到融合后的数据；具体步骤如下；
在第一计算单元中，将颅骨上经过初步处理的2个通道的脑电信号数据进行处理，则系统的状态方程和观测方程为
(1)式中：x(t)为t时刻的系统状态，即为脑电的实际值；w(t)系统噪声，其协方差为w；zi(t)为观测值，即脑电采集模块两通道各自的测量值；vi(t)为测量噪声，其协方差为vi，i＝1，2；因此可由当前t时刻系统状态x(t|t)分别得到下一时刻两通道的先验估计值xi(t|t+1)为：
xi(t|t+1)＝x(t|t) (2)
则有误差协方差Pi(t+1|t)为：
Pi(t+1|t)＝Pi(t|t)+w (3)
根据式(2)和式(3)可迭代求得卡尔曼增益Ki(t+1)，后验估计值xi(t+1|t+1)并更新误差协方差Pi(t+1|t+1)，其递推公式分别为：
xi(t+1|t+1)＝xi(t+1|t)+Ki(t+1)·[zi(t+1)-xi(t+1|t)] (5)
Pi(t+1|t+1)＝[1-Ki(t+1)]·Pi(t+1|t) (6)
根据式(5)和式(6)可得x1(t+1|t+1)、x2(t+1|t+1)和对应的误差协方差P1(t+1|t+1)、P2(t+1|t+1)可融合得到系统融合状态值x(t+1|t+1)为：
由式(1)～式(7)可知，基于卡尔曼滤波的多通道数据融合方法实现状态预测、预测修正、方差更新及状态融合的过程，获得优化后的融合数据；
S35、将优化后的融合数据经第一计算单元进行希尔伯特变换，取包络求得脑电信号峰值形成所述第一脑电信号；
S4多通道脑电信号采集处理模块将第一脑电信号发送给无线蓝牙通信模块。
2.根据权利要求1所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：所述多通道脑电信号采集处理模块包括前端放大器、微电极AC放大器、神经信号处理器及第一计算单元；前端放大器与电极模块电连接，用于对接收的电极模块发送的脑电信号进行信号放大，并将放大后信号发送至微电极AC放大器；微电极AC放大器用于对脑电信号进行放大和滤波处理，并将处理后信号发送至神经信号处理器；神经信号处理器用于将脑电信号转化为相应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至第一计算单元；第一计算单元用于对数字信号进行信号处理；无线蓝牙通信模块用于对处理好的数据进行无线数据传输。
3.根据权利要求2所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：经颅超声信号发生模块包括第二计算单元及功率放大器，第二计算单元按给定的参数生成控制波形信号，功率放大器将控制波形信号进行放大处理，并将处理后的控制信号发送至经颅超声刺激模块。
4.根据权利要求3所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：经颅超声刺激模块包括超声换能器及准直器，超声换能器用于将射频放大器发送的控制信号转换为超声波输出，准直器固定连接在超声换能器的输出端，用于将超声波输出限定在设定范围内向实验对象发射。
5.根据权利要求4所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：电极模块包括脑电电极，所述脑电电极用于采集实验对象的脑电信号，脑电电极包括四路，其中的两路电极插在实验对象的颅骨上，另两路电极插接在实验对象鼻骨上作为参考电极。
6.根据权利要求3所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：所述第一计算单元内置有PCI-5122数字信号采集卡，第二计算单元内置有AD9850波形发生器。
7.根据权利要求1所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：步骤S1根据接收的控制信号向实验对象的预设区域使能超声波刺激，所述控制信号包括对超声波的幅值、时长的控制信号。
8.根据权利要求1所述的一种经颅脑刺激多通道数据采集系统，其特征在于：步骤S2中电极模块采集实验对象的原始脑电信号，具体包括将脑电电极连接至实验对象的脑部预设部位，脑电电极采集实验对象的脑电信号。
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