CN116271544A - 经颅磁刺激系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种经颅磁刺激系统及方法。其中，经颅磁刺激系统包括：经颅交流电刺激仪，用于输出特定频率的正弦波，通过刺激电极输出正弦交流电；第一脑电采集装置，用于采集目标脑区靶点的目标脑电信号；相位同步检测模块，用于在经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号；控制模块，用于基于检测启动信号，读取经颅交流电刺激仪输出的正弦电刺激信号的实时相位，并基于实时相位和预设条件生成控制信号；经颅磁刺激仪，用于通过线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点。基于本发明实施例的技术方案，能够提高对经颅磁刺激脉冲控制的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，尤其涉及一种经颅磁刺激系统及方法。
背景技术
经颅磁刺激仪可以非侵入式地向大脑输入磁脉冲，以网络的形式调控大脑的神经活动，在提高运动以及认知等功能中具有重要的应用价值。当前研究表明，经颅磁刺激对大脑的调控作用不仅与刺激强度以及刺激频率等磁脉冲输出参数有关，也与磁脉冲输出时刻大脑的神经振荡状态相关。除此之外，人类大脑由无数神经元构成，单个神经元或神经元集群均以一定节律性的形式进行活动，表现为不同频段的神经振荡，反映神经元或神经元集群兴奋性水平的周期性变化，与大脑的功能有密切的联系，可以理解的是，不同时刻个体内的神经振荡状态不同，不同个体间的神经振荡状态往往不同。
现有技术中，经颅磁刺激系统往往难以实现对脑神经振荡的实时相位的高精度提取，在输出经颅磁刺激时往往仅考虑磁脉冲输出参数对大脑的调控作用，而忽略实时变化的神经振荡状态的影响，并且由于不同时刻个体内或/和个体间的神经振荡状态的差异，通常会出现相同的经颅磁刺激对同一个个体或不同个体的作用效果的不一致的情况，以至于经颅磁刺激的调控效果较差。
发明内容
本发明提供了一种经颅磁刺激系统及方法，以解决经颅磁刺激的调控效果较差的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种经颅磁刺激系统，其中，该系统包括：经颅交流电刺激仪、刺激电极、第一脑电采集装置、相位同步检测模块、控制模块、经颅磁刺激仪以及线圈；其中，
所述经颅交流电刺激仪，与所述刺激电极连接，用于输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点；
所述第一脑电采集装置，用于采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；
所述相位同步检测模块，分别与所述经颅交流电刺激仪、所述第一脑电采集装置以及所述控制模块相连，用于在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；
所述控制模块，与所述经颅磁刺激仪连接，用于基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪；
所述经颅磁刺激仪，与所述线圈连接，用于通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。
根据本发明的另一方面，提供了一种经颅磁刺激方法，其中，该方法包括：经颅交流电刺激仪、刺激电极、第一脑电采集装置、相位同步检测模块、控制模块、经颅磁刺激仪以及线圈；其中，
输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点；
采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；
在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；
基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪；
通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。
本发明实施例的技术方案，通过所述经颅交流电刺激仪，与所述刺激电极连接，用于输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点，针对不同个体设置不同的特定频率，提高了个性化体验，保证了个体间和个体内的作用效果的一致性；所述第一脑电采集装置，用于采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；所述相位同步检测模块，分别与所述经颅交流电刺激仪、所述第一脑电采集装置以及所述控制模块相连，用于在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；所述控制模块，与所述经颅磁刺激仪连接，用于基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪，解决了直接检测目标脑电信号的实时相位的精准性不高的问题，通过正弦电刺激信号的实时相位间接获取目标脑电信号的实时相位，提高了对目标脑电信号的实时相位的检测的精准性；所述经颅磁刺激仪，与所述线圈连接，用于通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。基于本发明实施例的技术方案，解决了经颅磁刺激对大脑的调控作用在个体间和个体内均存在很大差异，以及对目标脑电信号的实时相位的检测的精准性不高，造成的经颅磁刺激的效果不佳的问题，实现了基于正弦电刺激信号的实时相位触发经颅磁刺激脉冲输出的闭环神经调控，在保证个体间和个体内的调控效果的一致基础上，提高了对经颅磁刺激脉冲控制的精准性，以提高了经颅磁刺激的调控效果。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
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他的附图。
图1是根据本发明实施例一提供的一种经颅磁刺激系统的结构示意图；
图2是实现本发明实施例的第一脑电采集装置、刺激电极以及复合电极的场景图；
图3是实现本发明实施例的相位同步检测模块的应用流程图；
图4是实现本发明实施例的经颅磁刺激系统的硬件连接图；
图5是根据本发明实施例二提供的一种经颅磁刺激方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
图1是根据本发明实施例一提供的一种经颅磁刺激系统的结构图。如图1所示，该系统包括：经颅交流电刺激仪110、刺激电极120、第一脑电采集装置130、相位同步检测模块140、控制模块150、经颅磁刺激仪160以及线圈170。
其中，经颅交流电刺激仪110，与刺激电极120连接，用于输出特定频率的正弦波，通过刺激电极120输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，刺激电极120放置于所述目标脑区靶点；第一脑电采集装置130，用于采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到相位同步检测模块140；相位同步检测模块140，分别与经颅交流电刺激仪160、第一脑电采集装置130以及控制模块150相连，用于在经颅交流电刺激仪160的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至控制模块150；控制模块150，与经颅磁刺激仪160连接，用于基于所述检测启动信号，读取经颅交流电刺激仪160输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至经颅磁刺激仪160；经颅磁刺激仪160，与线圈170连接，用于通过线圈170输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，线圈170放置于所述目标脑区靶点。
其中，所述经颅磁刺激仪可以根据场景需求设置，在此不做具体限定。可选的，所述经颅磁刺激仪可以设置有外部输入触发端口，具体的，所述特征提取和存储模块可以通过外部输入触发端口将所述脉冲控制信号输入所述经颅磁刺激仪。
其中，所述线圈可以根据场景需求设置，在此不做具体限定。可选的，所述线圈可以为与所述经颅磁刺激仪匹配的八字形线圈、双锥形线圈或圆形线圈等。
其中，所述经颅交流电刺激仪可以根据场景需求设置，在此不做具体限定。可选的，所述经颅交流电刺激仪可以设置有外部模拟输出端口。
其中，所述第一脑电采集装置包括采集电极和脑电仪，所述采集电极与所述脑电仪连接，放置于所述目标脑区靶点。其中，所述采集电极为具有采集所述目标脑区靶点对应的原始脑电信号的功能的电极。在本发明实施例中，所述第一脑电采集装置可以设置有8个所述采集电极。可选的，所述第一脑电采集装置可以包括1个靶点脑电电极，4个空间滤波脑电电极，1个接地电极以及2个参考电极，其中，靶点脑电电极放置在目标脑区靶点的预设空间位置点，所述预设空间位置点可以根据场景需求预设，在此不做具体限定，4个空间滤波脑电电极放置在与靶点脑电电极在同一矢状线的前后及同一冠状面的左右，并与靶点脑电电极的距离相同，所述接地电极放置在鼻尖，2个参考电极放置在双耳乳突(参考图2)。
所述脑电仪为具有对所述原始脑电信号进行放大处理的功能的装置。可选的，所述脑电仪可以是具有大于等于8个脑电电极的脑电放大器。
具体的，所述采集电极放置于所述目标脑区靶点，采集所述目标脑区靶点对应的原始脑电信号，并将所述原始脑电信号传输至所述脑电仪，所述脑电仪对所述原始脑电信号进行放大，得到所述目标脑区靶点对应的所述目标脑电信号。
可选的，所述第一脑电采集装置设置有采集电极，所述采集电极和所述刺激电极为二合一的复合电极，所述复合电极的外环为环形的刺激电极，所述复合电极的内部为采集电极(参考图2)，其中，所述复合电极放置于所述目标脑区靶点。
具体的，所述刺激电极和所述采集电极为二合一的复合电极，所述复合电极的外环为环形的刺激电极，可以与所述经颅交流电刺激仪连接，实现对所述目标脑区靶点的正弦交流电刺激；环形的刺激电极的内部为所述采集电极，所述采集电极可以与所述脑电仪连接，实现对所述脑电信号的采集和放大。在本发明实施例中，所述经颅交流电刺激仪可以设置两个刺激电极，一个为所述复合电极的环形的刺激电极，放置于所述目标脑区靶点，另一个为中空环状的刺激电极，放置于眶额叶的位置。
其中，所述图2包括1个靶点脑电电极E0、空间滤波脑电电极E1、空间滤波脑电电极E2、空间滤波脑电电极E3、空间滤波脑电电极E4、复合电极的环形的刺激电极S1以及中空环状的刺激电极S2。
其中，所述相位同步检测模块为用于检测所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号是否同步，并在同步的情况下生成检测启动信号的模块。可选的，所述相位同步检测模块可为基于simulink、Labview或ARM等的下位机。
可选的，所述相位同步检测模块具体包括相位确定单元、同步判断单元和启动信号生成单元；
所述相位确定单元，用于确定所述目标脑电信号对应的特定频带的目标神经信号，并确定所述目标神经信号的第一相位，确定与所述目标神经信号对应的所述正弦电刺激信号的第二相位；
所述同步判断单元，用于基于所述第一相位和所述第二相位确定所述正弦电刺激信号与所述目标脑电信号的是否同步；
所述启动信号生成单元，用于在所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号相位同步的情况下，生成检测启动信号。
其中，所述特定频带可以理解为所述目标脑电信号中所述目标神经信号对应的频带。在本发明实施例中，所述特定频带可以根据场景需求预设，在此不做具体限定。示例性的，所述特定频带可以是[8Hz-12Hz]或[12Hz-16Hz]等。
所述目标神经信号可以理解为针对所述目标脑电信号，所述特定频带对应的神经信号。
所述第一相位可以理解为所述目标神经信号对应的相位。
所述正弦电刺激信号可以理解为所述经颅交流电刺激仪对应的信号。在本发明实施例中，所述相位同步检测模块可以基于所述第一脑电采集装置所包括的所述脑电仪获取所述正弦电刺激信号。
所述第二相位可以理解为所述正弦电刺激信号对应的相位。
所述检测启动信号可以理解为启动所述控制模块读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位的信号。
可选的，所述同步判断单元具体用于：
确定所述第一相位和所述第二相位是否相位相同；
在所述第一相位和所述第二相位是相位相同的情况下，确定位于所述特定频带之后第一预设时间段内所述第一相位与所述第二相位的相位差值；
在所述相位差值小于预设差值阈值的情况下，则确定所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号相位同步。
其中，所述第一预设时间段内可以理解为用于确定相位差值所确定的时间段。在本发明实施例中，所述第一预设时间段可以根据场景需求预设，在此不做具体限定。可选的，所述第一预设时间段可以是位于所述特定频带之后得时间段。示例性的，所述第一预设时间段可以是1s、2s或3s等。
所述相位差值可以理解为第一预设时间段内所述第一相位与所述第二相位的差值。可选的，所述相位差值可以是10°、20°或30°等。
所述预设差值阈值可以理解为用于与所述相位差值进行比较，以判断所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号是否相位同步的阈值。在本发明实施例中，所述预设差值阈值可以根据场景需求预设，在此不做具体限定。可选得，所述预设差值阈值可以是20°、30°或50°等。
具体的，确定所述目标脑电信号对应的特定频带的目标神经信号，并提取目标神经信号的相位，即第一相位，将相位1与经颅交流电刺激仪输出的正弦电刺激信号的相位，即第二相位进行比较，如果第一相位与相第二相位相同，则连续进行1s的对比，如果在1s内第一相位和第二相位的误差范围均在20°以内，则认为经过经颅交流电刺激仪输出的正弦交流电刺激所述目标脑区靶点，已经使得所述目标脑区靶点的实时相位与正弦交流电的实时相位锁定，此时所述相位同步检测模块输出检测启动信号到所述控制模块。
可选的，所述相位确定单元，具体包括脑电信号处理子单元、前向预测子单元以及相位确定子单元；其中，
所述脑电信号处理子单元，用于通过对所述目标脑电信号进行预处理，得到所述特定频带的初始神经信号，并对所述初始神经信号进行处理得到所述特定频带的目标神经信号；
所述前向预测子单元，用于确定所述目标神经信号对应的前向预测信号，其中，所述前向预测信号对应的信号采集时间晚于所述目标神经信号对应的信号预测时间；
所述相位确定子单元，用于通过确定所述前向预测信号的瞬时相位值，得到所述目标神经信号的所述第一相位。
可选的，所脑电信号处理子单元，具体用于：
对所述目标脑电信号进行拉普拉斯空间滤波，得到空间滤波信号；
将空间滤波信号输入到零相位有限冲击响应带通滤波器进行频域滤波，得到特定频带的初始神经信号；
截去起始开始后和终止前一段时间的初始神经信号对应的失真信号，得到目标神经信号，其中，所述目标神经信号为无滤波畸变信号段。
具体的，对所述目标脑电信号进行拉普拉斯空间滤波，提高所述目标脑电信号信噪比，得到空间滤波信号；将空间滤波信号输入到零相位有限冲击响应带通滤波器进行频域滤波，得到特定频带的初始神经信号，即频域滤波信号，其中，滤波器的高通截止频率和低通截止频率可由个体化神经振荡频带确定；需要理解的是，频域滤波会导致频域滤波信号的起始和终止处失真，因此，将起始开始后和终止前一段时间的失真信号截去，将剩余的信号作为无滤波畸变信号段，即目标神经信号；
进一步的，可选的，所述前向预测子单元，具体用于：
通过回归向前预测模型对输入的所述目标神经信号进行前向预测，得到前向预测信号，和/或，通过正弦波拟合算法对所述目标神经信号进行前向预测得到前向预测信号；
再进一步的，所述相位确定子单元，具体用于：
通过希尔伯特黄变换确定所述前向预测信号的瞬时相位值，得到所述目标神经信号的所述第一相位。
在本发明实施例中，所述相位同步检测模块的应用流程图可以参考图3。
可选的，所述控制模块包括实时相位判断单元和电平输出单元；其中，
所述实时相位判断单元，用于判断所述第一实时相位是否处于预设相位；
所述电平输出单元，用于在所述第一实时相位是处于预设相位的情况下，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪。
其中，所述预设相位可以包括波峰相位和/或波谷相位。
可选的，所述电平输出单元包括第一控制子单元和第二控制子单元；其中，
所述第一控制子单元，用于在所述第一实时相位为波峰相位时，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪，以控制所述经颅磁刺激仪输出间隔为第一预设周期的第一预设频率的经颅磁刺激脉冲；
所述第二控制子单元，用于在所述第一实时相位的实时相位为波谷相位时，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪，以控制所述经颅磁刺激仪输出间隔为第二预设周期的第二预设频率的经颅磁刺激脉冲。
其中，所述第一预设周期、所述第一预设频率、所述第二预设周期以及所述第二预设频率可以根据场景需求预设，在此不做具体限定。可选的，所述第一预设周期和/或所述第一预设周期可以为2、5或10等。所述第一预设频率和/或所述第二预设频率可以为1Hz、5Hz或10Hz等。
可选的，具体的，所述控制模块接收到所述相位同步检测模块的高电平(Transistor-Transistor Logic，TTL)信号后，开始检测所述经颅交流电刺激仪输出的正弦交流电的实时相位，当所述实时相位处于预设相位的情况下，由所述控制模块输出高电平TTL信号到所述经颅磁刺激仪的外部触发端口，以触发所述经颅磁刺激脉冲输出，实现对所述目标脑区靶点的刺激。示例性的，以运动区为例进行说明，μ节律(8-12Hz)为所述目标脑区靶点的固有频带，在μ节律相位位于波峰相位时，此时脑运动区神经元集群处于低兴奋状态，因此，可设置预设相位为波峰相位，当所述控制模块检测到外部的正弦电刺激信号处于波峰相位时，触发所述经颅磁刺激仪输出经颅磁刺激脉冲，且两次磁脉冲输出的间隔至少为10个周期，即可实现约为1Hz的低频经颅磁刺激，此时，可有效的降低运动皮层的兴奋性；反之，在μ节律相位位于波谷相位时，此时脑运动区神经元集群处于高兴奋状态，因此，可设置预测相位为波谷相位，当所述控制模块检测到外部的正弦电刺激信号处于波谷相位时，触发所述经颅磁刺激仪输出经颅磁刺激脉冲，且两次磁脉冲输出的间隔至少为1-2个周期，即可实现约为5-10Hz的高频经颅磁刺激，此时，可有效的提高运动皮层的兴奋性。
可选的，所述经颅磁刺激系统，还包括：第二脑电采集装置和特定频率确定模块，其中，
所述第二脑电采集装置，用于确定所述目标脑区靶点对应的固有频带，并采集所述目标脑区靶点对应的第二预设时间段的预设状态的参考脑电信号；
所述特定频率确定模块，用于根据所述固有频带和所述参考脑电信号确定所述目标脑区靶点对应的固有频率值，根据所述固有频率值确定所述特定频率。
其中，所述第二脑电采集装置可以包括采集电极和脑电仪，所述采集电极与所述脑电仪连接，放置于所述目标脑区靶点。在本发明实施例中，所述第一脑电采集装置和所述第二脑电采集装置可以相同，也可以不同。
所述固有频带可以理解为用于确定所述固有频率值的频带。在本发明实施例中，所述固有频带可以根据场景需求预设，在此不做具体限定。可选的，所述固有频带可以是基于神经生理学常识，确定的所述目标脑区靶点对应的频带[f1,f2]。示例性的，所述固有频带可以是[8Hz,12Hz]。
所述第二预设时间段可以理解为采集所述参考脑电信号的预设时间段。在本发明实施例中，所述第二预设时间段可以根据场景需求预设，在此不做具体限定。可选的，所述第二预设时间段可以是2min、3min或5min等。
所述预设状态可以理解为采集所述参考脑电信号时，所述目标脑区靶点对应的状态。可选的，所述预设状态可以是睁眼静息态。
所述参考脑电信号可以理解为用于确定所述固有频率值的脑电信号。
所述固有频率值可以理解为基于所述固有频带和所述参考脑电信号确定所述目标脑区靶点对应的频率值。
所述特定频率可以理解为根据所述固有频率值确定的特定的频率。可以理解的是，在本发明实施例中，所确定的所述特定频率，用于设置所述经颅交流电刺激仪输出特定频率的正弦波。
具体的，根据神经生理学常识，确定所述目标脑区靶点的固有频带[f1,f2]，在正式进行经颅交流电刺激联合经颅磁刺激调控脑活动实验前，先采集2min目标脑区靶点的睁眼静息态的参考脑电信号，通过快速傅立叶变化求取所述参考脑电信号的频谱，并在所述目标脑区靶点的固有频带范围内求取频谱的峰值，将所述峰值对应的频率，作为所述目标脑区靶点的固有频率值，根据所述固有频率值对所述特定频率进行设定；进一步的，将所述经颅交流电刺激仪的所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点，以使用与所述目标脑区靶点的固有频率相同的正弦交流电刺激所述目标脑区靶点。可以理解的是，此处对于所述目标脑区靶点，不同人对应的固有频率值并不相同，本发明实施例中，保证了针对不同个体设置相对应的个性化的所述特定频率的特性，提高了用户的个性化体验，实现了针对不同个体时，对经颅磁刺激脉冲的个性化控制。
示例性的，以脑运动功能区为例，根据神经生理学常识，μ节律(8-12Hz)为所述目标脑区靶点的固有频带。在正式实验前，在脑运动区放置采集电极，采集2min的静息态睁眼的参考脑电信号，通过快速傅立叶变化求取所述参考脑电信号的频谱，在8-12Hz频带范围内求取峰值，该峰值对应的频率，即为个体化脑运动区的固有频率。
可选的，具体的，如图4所示，所述经颅磁刺激系统的硬件连接可以是：
所述经颅交流电刺激仪的所述刺激电极放置在所述目标脑区靶点，所述目标脑区靶点还通过采集电极与脑电仪相连，相位同步检测模块分别与脑电仪和经颅交流电刺激仪相连，相位同步检测模块还与控制模块相连，控制模块与经颅磁刺激仪的外部端口相连，经颅磁刺激仪通过线圈放置在所述目标脑区靶点。
具体的，设置所述经颅交流电刺激仪输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，所述目标脑区靶点处还放置可采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号的第一脑电采集装置，其中，目标脑电信号为经过第一脑电采集装置放大后的脑电信号，第一脑电采集装置将所述目标脑电信号输入到相位同步检测模块，同时，相位同步检测模块还接收经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号，相位同步检测模块内置相位同步检测算法计算经颅交流电刺激仪的正弦电刺激的实时相位与目标脑电信号的实时相位，如果两者实时相位不同步，则继续使用经颅交流电刺激仪刺激所述目标脑区靶点，继续检测两者的实时相位是否同步，直至检测到两者的实时相位锁定，则由相位同步检测模块输出高电平信号到控制模块，此时，控制模块开始读取经颅交流电刺激仪输出正弦电刺激信号的实时相位，当相位满足预设条件时，控制模块向经颅磁刺激仪的外部触发端口输出高电平信号，触发经颅磁刺激仪输出经颅磁刺激脉冲，并经由线圈达到所述目标脑区靶点，实现对所述目标脑区靶点的调控。
需要理解的是，使用有节律性的正弦交流电刺激所述目标脑区靶点，可以刺激大脑内的神经振荡活动与所述经颅交流电刺激仪输出的正弦交流电的正弦电刺激信号同频，且可使神经振荡对应的目标脑电信号与正弦电刺激信号的相位锁定，因此，基于脑神经振荡与外部节律同步化现象，以及脑神经对外界刺激的响应与外界刺激施加时刻的脑神经振荡状态相关，这两个神经生理基础，本发明通过经颅交流电刺激实现交流电流信号与脑神经振荡相位锁定，然后通过交流电流信号的实时相位间接获得脑神经振荡对应的目标脑电信号的实时相位，进而通过交流电流信号的实时相位触发经颅磁刺激脉冲输出，实现基于脑神经振荡状态控制经颅磁刺激的神经调控。
本发明通过利用与目标脑区靶点的所述目标脑电信号的振荡频率相同的经颅交流电刺激调控目标脑区靶点的神经振荡，使目标脑区靶点的神经振荡对应的目标脑电信号与外部施加的经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号的相位锁定，然后通过检测经颅交流电刺激仪输出的正弦电刺激信号的实时相位，触发经颅磁刺激脉冲的输出，实现依据个体的脑神经振荡相位触发经颅磁刺激脉冲输出的闭环神经调控，提高经颅磁刺激的调控效果，提高个体间和个体内的调控效果的一致性。
本发明依据脑神经振荡的实时变化状态进行经颅磁刺激脉冲输出。不采用直接检测脑神经振荡状态触发经颅磁刺激脉冲输出的方法，而是通过对目标脑区靶点施加正弦交流电，在目标脑区靶点的神经振荡与外部的正弦电刺激信号同步时，通过检测外部正弦电刺激信号的实时相位，控制经颅磁刺激脉冲输出。
本发明实施例的技术方案，通过所述经颅交流电刺激仪，与所述刺激电极连接，用于输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点，针对不同个体设置不同的特定频率，提高了个性化体验，保证了个体间和个体内的作用效果的一致性；所述第一脑电采集装置，用于采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；所述相位同步检测模块，分别与所述经颅交流电刺激仪、所述第一脑电采集装置以及所述控制模块相连，用于在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；所述控制模块，与所述经颅磁刺激仪连接，用于基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪，解决了直接检测目标脑电信号的实时相位的精准性不高的问题，通过正弦电刺激信号的实时相位间接获取目标脑电信号的实时相位，提高了对目标脑电信号的实时相位的检测的精准性；所述经颅磁刺激仪，与所述线圈连接，用于通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。基于本发明实施例的技术方案，解决了经颅磁刺激对大脑的调控作用在个体间和个体内均存在很大差异，以及对目标脑电信号的实时相位的检测的精准性不高，造成的经颅磁刺激的效果不佳的问题，实现了基于正弦电刺激信号的实时相位触发经颅磁刺激脉冲输出的闭环神经调控，在保证个体间和个体内的调控效果的一致基础上，提高了对经颅磁刺激脉冲控制的精准性，以提高了经颅磁刺激的调控效果。
实施例二
图5是根据本发明实施例二提供的一种经颅磁刺激方法的流程图。经颅磁刺激方法可用于经颅磁刺激系统。如图5所示，所述经颅磁刺激方法具体包括：
S210、输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点。
S220、采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块。
S230、在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块。
S240、基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪。
S250、通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。
具体的，设置所述经颅交流电刺激仪输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，通过第一脑电采集装置采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号并将所述目标脑电信号输入到相位同步检测模块；接收经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号，计算经颅交流电刺激仪的正弦电刺激的实时相位与目标脑电信号的实时相位，如果两者实时相位不同步，则继续使用经颅交流电刺激仪刺激所述目标脑区靶点，继续检测两者的实时相位是否同步，直至检测到两者的实时相位锁定，则通过相位同步检测模块输出高电平信号到控制模块；通过控制模块读取经颅交流电刺激仪输出正弦电刺激信号的实时相位，当相位满足预设条件时，输出高电平信号，触发经颅磁刺激仪输出经颅磁刺激脉冲，并通过线圈达到所述目标脑区靶点，实现对所述目标脑区靶点的调控。
可选的，所述第一脑电采集装置设置有采集电极，所述采集电极和所述刺激电极为二合一的复合电极，所述复合电极的外环为环形的刺激电极，所述复合电极的内部为采集电极，其中，所述复合电极放置于所述目标脑区靶点。
可选的，所述相位同步检测模块具体包括相位确定单元、同步判断单元和启动信号生成单元；其中，
通过所述相位确定单元，确定所述目标脑电信号对应的特定频带的目标神经信号，并确定所述目标神经信号的第一相位，确定与所述目标神经信号对应的所述正弦电刺激信号的第二相位；通过所述同步判断单元，基于所述第一相位和所述第二相位确定所述正弦电刺激信号与所述目标脑电信号的是否同步；通过所述启动信号生成单元，在所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号相位同步的情况下，生成检测启动信号。
可选的，通过同步判断单元，确定所述第一相位和所述第二相位是否相位相同；在所述第一相位和所述第二相位是相位相同的情况下，确定位于所述特定频带之后第一预设时间段内所述第一相位与所述第二相位的相位差值；在所述相位差值小于预设差值阈值的情况下，则确定所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号相位同步。
可选的，所述相位确定单元，具体包括脑电信号处理子单元、前向预测子单元以及相位确定子单元；其中，
通过所述脑电信号处理子单元，通过对所述目标脑电信号进行预处理，得到所述特定频带的初始神经信号，并对所述初始神经信号进行处理得到所述特定频带的目标神经信号；通过所述前向预测子单元，确定所述目标神经信号对应的前向预测信号，其中，所述前向预测信号对应的信号采集时间晚于所述目标神经信号对应的信号预测时间；通过所述相位确定子单元，通过确定所述前向预测信号的瞬时相位值，得到所述目标神经信号的所述第一相位。
可选的，通过所述前向预测子单元，通过回归向前预测模型对输入的所述目标神经信号进行前向预测，得到前向预测信号，和/或，通过正弦波拟合算法对所述目标神经信号进行前向预测得到前向预测信号。
可选的，所述控制模块包括实时相位判断单元和电平输出单元；其中，
通过所述实时相位判断单元，判断所述第一实时相位是否处于预设相位；
通过所述电平输出单元，在所述第一实时相位是处于预设相位的情况下，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪。
可选的，所述电平输出单元包括第一控制子单元和第二控制子单元；其中，
通过所述第一控制子单元，在所述第一实时相位为波峰相位时，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪，以控制所述经颅磁刺激仪输出间隔为第一预设周期的第一预设频率的经颅磁刺激脉冲；通过所述第二控制子单元，在所述第一实时相位的实时相位为波谷相位时，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪，以控制所述经颅磁刺激仪输出间隔为第二预设周期的第二预设频率的经颅磁刺激脉冲。
可选的，所述经颅磁刺激方法，还包括：通过所述第二脑电采集装置，确定所述目标脑区靶点对应的固有频带，并采集所述目标脑区靶点对应的第二预设时间段的预设状态的参考脑电信号；通过所述特定频率确定模块，用于根据所述固有频带和所述参考脑电信号确定所述目标脑区靶点对应的固有频率值，根据所述固有频率值确定所述特定频率。
本发明实施例的技术方案，通过输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点；采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪；通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。基于本发明实施例的技术方案，基于本发明实施例的技术方案，解决了经颅磁刺激对大脑的调控作用在个体间和个体内均存在很大差异，以及对目标脑电信号的实时相位的检测的精准性不高，造成的经颅磁刺激的效果不佳的问题，实现了基于正弦电刺激信号的实时相位触发经颅磁刺激脉冲输出的闭环神经调控，在保证个体间和个体内的调控效果的一致基础上，提高了对经颅磁刺激脉冲控制的精准性，以提高了经颅磁刺激的调控效果。
应该理解，可以使用上面所示的种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种经颅磁刺激系统，其特征在于，包括：经颅交流电刺激仪、刺激电极、第一脑电采集装置、相位同步检测模块、控制模块、经颅磁刺激仪以及线圈；其中，
所述经颅交流电刺激仪，与所述刺激电极连接，用于输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点；
所述第一脑电采集装置，用于采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；
所述相位同步检测模块，分别与所述经颅交流电刺激仪、所述第一脑电采集装置以及所述控制模块相连，用于在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；
所述控制模块，与所述经颅磁刺激仪连接，用于基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪；
所述经颅磁刺激仪，与所述线圈连接，用于通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一脑电采集装置设置有采集电极，所述采集电极和所述刺激电极为二合一的复合电极，所述复合电极的外环为环形的刺激电极，所述复合电极的内部为采集电极，其中，所述复合电极放置于所述目标脑区靶点。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相位同步检测模块具体包括相位确定单元、同步判断单元和启动信号生成单元；
所述相位确定单元，用于确定所述目标脑电信号对应的特定频带的目标神经信号，并确定所述目标神经信号的第一相位，确定与所述目标神经信号对应的所述正弦电刺激信号的第二相位；
所述同步判断单元，用于基于所述第一相位和所述第二相位确定所述正弦电刺激信号与所述目标脑电信号的是否同步；
所述启动信号生成单元，用于在所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号相位同步的情况下，生成检测启动信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述同步判断单元具体用于：
确定所述第一相位和所述第二相位是否相位相同；
在所述第一相位和所述第二相位是相位相同的情况下，确定位于所述特定频带之后第一预设时间段内所述第一相位与所述第二相位的相位差值；
在所述相位差值小于预设差值阈值的情况下，则确定所述正弦电刺激信号和所述目标脑电信号相位同步。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述相位确定单元，具体包括脑电信号处理子单元、前向预测子单元以及相位确定子单元；其中，
所述脑电信号处理子单元，用于通过对所述目标脑电信号进行预处理，得到所述特定频带的初始神经信号，并对所述初始神经信号进行处理得到所述特定频带的目标神经信号；
所述前向预测子单元，用于确定所述目标神经信号对应的前向预测信号，其中，所述前向预测信号对应的信号采集时间晚于所述目标神经信号对应的信号预测时间；
所述相位确定子单元，用于通过确定所述前向预测信号的瞬时相位值，得到所述目标神经信号的所述第一相位。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述前向预测子单元，具体用于：
通过回归向前预测模型对输入的所述目标神经信号进行前向预测，得到前向预测信号，和/或，通过正弦波拟合算法对所述目标神经信号进行前向预测得到前向预测信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括实时相位判断单元和电平输出单元；其中，
所述实时相位判断单元，用于判断所述第一实时相位是否处于预设相位；
所述电平输出单元，用于在所述第一实时相位是处于预设相位的情况下，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电平输出单元包括第一控制子单元和第二控制子单元；其中，
所述第一控制子单元，用于在所述第一实时相位为波峰相位时，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪，以控制所述经颅磁刺激仪输出间隔为第一预设周期的第一预设频率的经颅磁刺激脉冲；
所述第二控制子单元，用于在所述第一实时相位的实时相位为波谷相位时，输出晶体管-晶体管逻辑电平到所述经颅磁刺激仪，以控制所述经颅磁刺激仪输出间隔为第二预设周期的第二预设频率的经颅磁刺激脉冲。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：第二脑电采集装置和特定频率确定模块，其中，
所述第二脑电采集装置，用于确定所述目标脑区靶点对应的固有频带，并采集所述目标脑区靶点对应的第二预设时间段的预设状态的参考脑电信号；
所述特定频率确定模块，用于根据所述固有频带和所述参考脑电信号确定所述目标脑区靶点对应的固有频率值，根据所述固有频率值确定所述特定频率。
10.一种经颅磁刺激方法，其特征在于，包括：经颅交流电刺激仪、刺激电极、第一脑电采集装置、相位同步检测模块、控制模块、经颅磁刺激仪以及线圈；其中，
输出特定频率的正弦波，通过所述刺激电极输出正弦交流电，以基于所述正弦交流电刺激目标对象的目标脑区靶点，其中，所述刺激电极放置于所述目标脑区靶点；
采集所述目标脑区靶点的目标脑电信号，并将所述目标脑电信号输入到所述相位同步检测模块；
在所述经颅交流电刺激仪的正弦电刺激信号和所述目标脑电信号的相位同步的情况下，生成检测启动信号，并将所述检测启动信号传输至所述控制模块；
基于所述检测启动信号，读取所述经颅交流电刺激仪输出的所述正弦电刺激信号的实时相位，并基于所述实时相位和预设条件生成控制信号，并将所述控制信号输入至所述经颅磁刺激仪；
通过所述线圈输出经颅磁刺激脉冲，以基于所述经颅磁刺激脉冲刺激所述目标对象的所述目标脑区靶点，其中，所述线圈放置于所述目标脑区靶点。
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