CN115153586A - 一种睡眠节律调控方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种睡眠节律调控方法及系统，属于超声刺激神经调控技术领域，方法包括：采集实验对象超声刺激前的睡眠时期脑电和肌电信号；超声刺激实验对象；采集实验对象超声刺激后的睡眠时脑电和肌电信号；预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号；计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值；系统包括：睡眠时期脑电和肌电信号采集模块、超声刺激模块和处理模块。本发明通过对实验对象超声刺激前后的睡眠时期脑电和肌电信号进行分析，超声刺激前后的睡眠特征值的变化表明该方法可以有效地调制REM和NREM睡眠节律。
Description
技术领域
本发明涉及超声刺激神经调控技术领域，尤其是一种睡眠节律调控方法及系统。
背景技术
脑神经调控技术是利用光、磁、电、超声等物理或化学等外部技术手段改变脑部内源神经信号传递，从而引起脑功能变化的重要方法。其中超声神经调控是一种新型的脑刺激技术，相对于其他传统的电、磁、光神经刺激技术而言，具有方向性强、穿透深度大、靶点控制准确和无创等优点，因而近年来超声无创脑神经调控技术倍受神经科学领域学者的关注。
超声作为神经调控技术，可以广泛应用于细胞、啮齿类对象、非人灵长类对象及人类的神经调控研究中，是一种理想的神经调控工具。然而，和电刺激神经调控技术不同，在之前的经颅超声刺激研究中，还很少出现睡眠节律系统的使用。此外，睡眠是人类最重要的生理现象之一，对人类认知、新陈代谢、免疫和其他功能的正常运作是不可或缺的。睡眠质量直接影响个体的身心健康。睡眠节律与睡眠质量息息相关。
本发明人的专利“一种闭环脑电调控方法及系统”(CN202210105120.2)提出了以脑电θ节律作为标志物对实验对象进行脑电调控，但是没有对实验对象刺激前后的睡眠特征值进行对比分析，无法评判超声刺激对睡眠节律的影响。
为此，本申请提出一种睡眠节律调控方法及系统。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种睡眠节律调控方法及系统，能够实现睡眠调控技术，进一步调节睡眠节律。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种睡眠节律调控方法，包括以下步骤：
采集实验对象超声刺激前的睡眠时期脑电和肌电信号；
超声刺激实验对象；
采集实验对象超声刺激后的睡眠时脑电和肌电信号；
预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号；
计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值。
本发明技术方案的进一步改进在于：超声刺激实验对象时，对试验对象进行连续7天～15天的超声刺激。
本发明技术方案的进一步改进在于：预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，包括以下步骤：
对所述脑电信号进行降采样、50Hz陷波去噪和0.1-100hz滤波处理，得到预处理脑电信号；
对所述肌电信号进行50Hz陷波去噪和20-300hz滤波处理，得到预处理肌电信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，包括以下步骤：
对所述预处理脑电信号进行滤波处理，得到δ节律和θ节律脑电信号；
对所述预处理脑电信号和δ节律、θ节律脑电信号和肌电信号进行分析处理，得到实验对象的non-REM睡眠比率和REM睡眠比率以及NREM睡眠脑电信号和REM睡眠脑电信号；再计算得到NREM睡眠时期的δ节律的相对功率和样本熵；REM睡眠时期的θ节律的相对功率和样本熵。
一种睡眠节律调控系统，包括：
睡眠时期脑电和肌电信号采集模块；
超声刺激模块：按照预设的参数对所述实验对象发出超声刺激；
处理模块：用于接收并预处理所述实验对象的超声刺激前后的睡眠时期的脑电和肌电信号，以得到预处理的超声刺激前后的睡眠时期的脑电和肌电信号，还用于计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述处理模块包括：
预处理模块：用于接收所述脑电信号，并对所述脑电和肌电信号进行降采样、陷波去噪和滤波处理，以得到预处理脑电信号；
睡眠特征值计算模块：用于计算处理所述预处理信号，得到所述脑电特征值。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述超声刺激模块包括：
信号发生模块：用于根据所述超声刺激参数生成第一控制波形信号；
功率放大模块：用于放大处理所述第一控制波形信号，得到第二控制波形信号；
超声换能模块：用于将所述第二控制波形信号使能为超声波信号输出；
准直模块：用于将所述超声波信号限定在设定空间范围内并向所述实验对象发射。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述超声换能模块的中心频率设为500kHz。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明首次对实验对象进行超声刺激，以实现睡眠调控技术，能够进一步调节睡眠节律，并且可以达到使睡眠时间增加的目的，对治疗失眠和增强记忆力都具有潜在意义。
2、本发明通过超声刺激使得实验对象皮层兴奋性降低达到睡眠总时间增长的目的，这表明经颅超声刺激可以促进睡眠加深，可能有助于改善睡眠质量和睡眠障碍。
3、本发明通过超声刺激改变了NREM睡眠时期δ频带和REM睡眠时期θ频段的相对功率，经颅超声刺激能进一步调节实验对象的情景记忆、空间记忆和程序记忆。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的睡眠节律调控系统的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的睡眠节律调控方法的流程图；
图3是本发明睡眠节律调控方法中S3的具体流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
如图1所示，一种睡眠节律调控系统，包括采集模块、超声刺激模块和处理模块。
所述采集模块，连接在实验对象上，用于采集实验对象睡眠期间的和肌电信号；其中，实验对象设置为实验室进行试验时常用的小黑鼠；所述采集模块包括脑电电极、肌电电极和神经信号处理器；所述脑电电极包括三路，其中一路钨微电极插在实验对象颅骨下的运动皮层M1区记录该脑区的脑电，另外两路电极插接在实验对象鼻骨上作为参考电极和接地电极；所述肌电电极包括三路特质电极，插入实验对象的颈部肌肉处以记录肌电，所述特质电极为排针电极。所述神经信号处理器与脑电电极和肌电电极相连接，配置用于将脑电和肌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脑电信号处理模块。
在本实施例中，所述神经信号处理器的型号可选的采用神经信号处理器，以2kHz的采样频率将信号传输到计算机进行数据存储和处理。
所述处理模块，与所述采集模块相连接，配置用于接收并预处理所述实验对象的超声刺激前后的睡眠时期的脑电和肌电信号，以得到预处理的超声刺激前后的睡眠时期的脑电和肌电信号，还配置用于计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值；
具体地，所述处理模块包括：预处理模块、各节律脑电计算模块和睡眠特征值计算模块。
所述预处理模块与所述采集模块相连接，配置用于接收所述脑电和肌电信号，并对所述脑电和肌电信号进行降采样、50Hz陷波去噪和滤波处理，以得到预处理脑电和肌电信号，还配置用于将所述预处理脑电和肌电信号发送给所述各节律脑电计算模块和所述睡眠特征值计算模块。
所述各节律脑电计算模块，配置用于对所述预处理脑电信号进行0.1-4Hz滤波，得到δ节律脑电信号；对所述预处理脑电信号进行4-8Hz滤波，得到θ节律脑电信号；
所述睡眠特征值计算模块，配置用于计算处理所述预处理肌电信号和所述各节律脑电信号，以得到所述睡眠特征值。其中，睡眠特征值包括non-REM睡眠比率和REM睡眠比率；NREM睡眠时期的δ节律的相对功率和样本熵；REM睡眠时期的θ节律的相对功率和样本熵。
在本实施例中，所述处理模块由PC机与MATLAB程序实现。
所述超声刺激模块，配置超声刺激参数对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控。
具体地，所述超声刺激模块包括：信号发生模块、功率放大模块、超声换能模块和准直模块。
所述信号发生模块能够实时远程接收超声频率、脉冲重复频率、脉冲周期数目、脉冲串长度、脉冲串间隔、串循环次数、开始刺激时间等参数的函数/任意波形发生器；在本实施例中，所述信号发生模块可选的采用两个AFG3022C型号函数/任意波形发生器。第一个函数发生器发出方波触发第二个函数发生器，第二个函数发生器用于控制超声基波频率、每个脉冲的循环次数和超声波强度。
所述功率放大模块，配置用于将所述第一控制波形信号进行放大处理，得到第二控制波形信号，并将所述第二控制波形信号发送至所述超能换能模块。
在本实施例中，所述功率放大模块由射频放大器实现，本优选实施例中，功率放大器的型号为240L的ENI线性功率放大器。
所述超声换能模块，配置用于将所述第二控制波形信号使能为超声波信号输出，并与所述准直模块相连接；所述超声换能模块为超声换能器，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，以超声波的形式传递出来，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)。
在本实施例中，所述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。
在本实施例中，对试验对象进行连续7天的超声刺激。
所述准直模块固定连接在所述超声换能器的输出端，配置用于将所述超声波信号限定在设定空间范围内并向所述实验对象发射，同时通过在其中填注耦合液，减少超声在传播过程中的衰减；在本实施例中，所述准直模块为准直器。
实施例2
如图2所示，一种应用实施例1所述睡眠节律调控系统的睡眠节律调控方法，包括如下步骤：
S1、接收实验对象超声刺激前后睡眠时期的脑电和肌电信号，具体包括以下步骤：
S1.1采集实验对象超声刺激前的睡眠时期脑电和肌电信号；
S1.2超声刺激实验对象；
S1.3采集实验对象超声刺激后的睡眠时脑电和肌电信号；
在本实施例中，应用模块包括睡眠时期脑电和肌电信号采集模块和超声刺激模块，实验对象为实验室进行试验时常用的小黑鼠。
S2、预处理所述脑电和肌电信号，得到所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号。
本步骤应用处理模块中的预处理模块，对所述脑电信号进行降采样、50Hz陷波去噪和0.1-100hz滤波处理，得到预处理脑电信号；对所述肌电信号进行50Hz陷波去噪和20-300hz滤波处理，得到预处理肌电信号。
S3、计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值，超声刺激后实验对象的总睡眠时间增长，NREM睡眠比率增加，反之，REM睡眠比率减少；NREM睡眠中δ频段的相对功率增加，样本熵减少，RME睡眠中θ频段的相对功率下降，样本熵增加，实现对睡眠节律进行有效调控。
如图3所示，本步骤具体包括：
S31、对所述预处理脑电信号进行滤波，得到δ节律、θ节律脑电信号；
S32、应用处理模块中的睡眠特征值计算模块，对所述预处理脑电信号和δ节律、θ节律脑电信号进行分析处理，得到实验对象的non-REM睡眠比率和REM睡眠比率；NREM睡眠时期的δ节律的相对功率和样本熵；REM睡眠时期的θ节律的相对功率和样本熵。
睡眠分期：使用定制的MATLAB软件将大脑状态分为NREM睡眠、REM睡眠和清醒。计算NREM睡眠与REM睡眠的比例和总睡眠时间(TST)，并且提取出NREM睡眠时期和REM睡眠时期脑电。在没有任何关于实验对象身份的信息的情况下进行了分类。简而言之，觉醒按激活的脑电和肌肉张力进行分类。非快速眼动睡眠根据脑电中的δ功率(0.5～4Hz)和肌肉张力降低来分类。快速眼动睡眠是根据脑电中的高θ(4～8Hz)和无肌肉张力来分类的。
相对功率和样本熵：分别选取和计算超声刺激前后实验对象非快速眼动睡眠时的δ[0.5～4Hz]和快速眼动睡眠时的θ[4～8Hz]的绝对功率和样本熵。将上述各频段的绝对功率相加，得到各频段的总绝对功率。每个频段的相对功率等于相应的绝对功率除以总的绝对功率。样本熵可以用以下公式表示：
SampEn(m，r，N)＝-ln[Cm+1(r)/Cm(r)] (1)
其中，N是数据长度，m是向量维度，r是公差，C是平均值函数。
综上所述，本发明通过对实验对象超声刺激前后的睡眠时期脑电和肌电信号进行分析，超声刺激前后的睡眠特征值的变化表明该方法可以有效地调制REM和NREM睡眠节律。
Claims (8)
1.一种睡眠节律调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
采集实验对象超声刺激前的睡眠时期脑电和肌电信号；
超声刺激实验对象；
采集实验对象超声刺激后的睡眠时脑电和肌电信号；
预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号；
计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值。
2.根据权利要求1所述的一种睡眠节律调控方法，其特征在于：超声刺激实验对象时，对试验对象进行连续7天～15天的超声刺激。
3.根据权利要求1所述的一种睡眠节律调控方法，其特征在于：预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，包括以下步骤：
对所述脑电信号进行降采样、50Hz陷波去噪和0.1-100hz滤波处理，得到预处理脑电信号；
对所述肌电信号进行50Hz陷波去噪和20-300hz滤波处理，得到预处理肌电信号。
4.根据权利要求1所述的一种睡眠节律调控方法，其特征在于：计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，包括以下步骤：
对所述预处理脑电信号进行滤波处理，得到δ节律和θ节律脑电信号；
对所述预处理脑电信号和δ节律、θ节律脑电信号和肌电信号进行分析处理，得到实验对象的non-REM睡眠比率和REM睡眠比率以及NREM睡眠脑电信号和REM睡眠脑电信号；再计算得到NREM睡眠时期的δ节律的相对功率和样本熵；REM睡眠时期的θ节律的相对功率和样本熵。
5.一种应用权利要求1～4所述的睡眠节律调控方法的睡眠节律调控系统，其特征在于：包括：
睡眠时期脑电和肌电信号采集模块；
超声刺激模块：按照预设的参数对所述实验对象发出超声刺激；
处理模块：用于接收并预处理所述实验对象的超声刺激前后的睡眠时期的脑电和肌电信号，以得到预处理的超声刺激前后的睡眠时期的脑电和肌电信号，还用于计算处理所述预处理的超声刺激前后睡眠时期脑电和肌电信号，得到刺激前后的睡眠特征值。
6.根据权利要求5所述的一种睡眠节律调控系统，其特征在于：所述处理模块包括：
预处理模块：用于接收所述脑电信号，并对所述脑电和肌电信号进行降采样、陷波去噪和滤波处理，以得到预处理脑电信号；
睡眠特征值计算模块：用于计算处理所述预处理信号，得到所述脑电特征值。
7.根据权利要求5所述的一种睡眠节律调控系统，其特征在于：所述超声刺激模块包括：
信号发生模块：用于根据所述超声刺激参数生成第一控制波形信号；
功率放大模块：用于放大处理所述第一控制波形信号，得到第二控制波形信号；
超声换能模块：用于将所述第二控制波形信号使能为超声波信号输出；
准直模块：用于将所述超声波信号限定在设定空间范围内并向所述实验对象发射。
8.根据权利要求7所述的一种睡眠节律调控系统，其特征在于：所述超声换能模块的中心频率设为500kHz。
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