CN117980035A

CN117980035A - 用于间隔闭环自适应经颅光生物调节的方法

Info

Publication number: CN117980035A
Application number: CN202280048083.4A
Authority: CN
Inventors: P·特尔弗; C·朱利恩
Original assignee: Sensory Artificial Intelligence Co
Current assignee: Sensory Artificial Intelligence Co
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2024-05-03
Also published as: WO2022234544A1; JP2024519735A; KR20240049516A; EP4333977A1; AU2022271015A1; CA3219086A1

Abstract

提供了使用基于间隔的闭环自适应经颅光生物调节的脑波调节的方法。本发明方法利用包括脑电图(EEG)传感器的生物特征传感器来测量来自身体的生物特征信号，并处理所述信号以适配模式化的光脉冲，以改变脑电活动。还提供了执行本发明方法的系统，以诸如头戴式设备之类的可穿戴装置的形式。

Description

用于间隔闭环自适应经颅光生物调节的方法

相关在先申请

本申请要求在先提交的美国临时申请63/185,234的优先权权益。

技术领域

本发明涉及使用基于间隔的闭环自适应经颅光生物调节的脑波调节的方法。具体来说，本发明涉及这样的方法：使用包括脑电图(EEG)传感器的生物特征传感器来测量来自身体的生物特征信号，并处理所述信号以适配模式化光脉冲，从而触发细胞结构内的光化学变化并影响脑电活动。

背景技术

影响来自身体的生物特征信号交汇了许多学科和方法，包括医学、疗法、冥想、呼吸练习、生物反馈、神经反馈和生物刺激。神经刺激是生物刺激的一种形式，其涉及到神经系统活动的有目的的调节。一种这样的神经刺激方法称为光生物调节(PBM)，其使用调节近红外光来刺激神经系统。

光生物调节是红外光疗法的一种形式。红外光疗法可以在皮肤、新陈代谢过程、神经系统和免疫系统上具有积极影响。它已被示出能增加胶原蛋白的产生，使皮肤更健康。

光生物调节技术可以通过传递能量来刺激细胞中的线粒体。在线粒体内部，细胞色素氧化酶具有吸收红光及近红外光并将其转化为能量——三磷酸腺苷(ADT)——的能力。经颅光生物调节系统通常传输波长在633至810纳米之间的光，由于810nm进一步穿透到生物组织中的能力，810nm是理想波长。

此外，经颅光生物调节是神经技术，用于调节或改变个体的产生可在精神状态中感知到的变化的脑活动，该变化可以通过脑电活动中的变化而看到。脑波状态可以定义为一段时间上的总的脑电活动；然后可以将脑波状态分类为诸如疲惫、专注、焦虑、创造等精神状态。

其他形式的脑刺激包括但不限于：

·tACS——经颅交流电刺激

·tRNS——经颅随机噪声刺激

·tDCS——经颅直流电刺激

迄今为止，使用静态光或恒频光脉冲部署了经颅光生物调节。更近期地，研究者开始在刺激会话中用变化的光频率来进行实验。使用不同脉冲频率已显示出会导致不同的测得的以及由对象报告的主观感受到的效果。脉冲光刺激的变化的效果尚未完全理解。然而，发明人提出，这种效果是脑细胞暴露于光能的变化的时间的直接结果。因此，这些效果是光的频率和占空比二者的结果。

现有方法已显示出，在不同人之间、甚至是同一人不同时间之间的结果中存在显著差异——有时引起脑波活动减少而其他时间引起脑波活动增加。有些人还报告了源于现有tPBM技术的头痛、恶心、眩晕和头晕。

基于光的神经刺激已显示出与基于电的刺激显著不同；在现有电刺激方法中使用的技术无法直接迁移到该领域。一些研究显示，光生物调节具有双相剂量-反应曲线，称为Arndt-Schulz定律(图4)。其中，超过阈值的低剂量没有效果，而更高剂量导致能量传递的生物抑制。还显示出，穿透到生物组织中的光将基于皮肤和头骨厚度以及头发的不同而因人而异。值得注意的是，其中，就经颅光生物调节(tPBM)而言，在真实世界环境中，测量每平方厘米剂量(J/cm2)不是能量吸收的直接测量，也不是针对个体个人的剂量测量。现有技术还缺乏对剂量随时间的变化如何影响Arndt-Schulz双相反应曲线的理解。现有技术装置对所有对象应用一致的能量剂量输出。这些装置未虑及能量穿透和吸收方面的差异。

已使用的一些装置报告出会造成头痛、恶心、眩晕和头晕。超过剂量吸收极限会导致EEG功率下降，而所报告的副作用很可能是超过针对个体个人的剂量吸收极限的结果。

脑电活动极其复杂。这可能显著因人而异，且因时而异，并且在大脑内不同位置也显著不同。重要的是，脑电活动或脑波可以视为非平稳信号。现有技术已证实，tPBM技术可以改变脑波活动；但是这些尝试未能虑及大脑的非平稳本质。

发明内容

本发明展现出优于现有技术的显著改进，现有技术缺乏实时闭环反馈机制，而本发明使用实时闭环反馈机制来适应于一会话期间的不同的人、跨多个会话的同一个人、以及脑波的非平稳本质。此外，已知方法还不够充分，因为它们要么采用静态光要么缺乏本方法定义的复杂脉冲间隔模式。所述模式对于与LED占空比和脉冲频率相独立地随时间定制能量至关重要。此外，本发明能够测量并虑及个体化的能量吸收率，并且还解决了现有技术中与头痛、恶心、眩晕和头晕相关的问题。

由发明人实施并在图2和图3中证实的测试结果清晰地显示出本发明增加目标脑波活动的能力，其中，现有技术中使用的方法通常会导致与刺激前基线相比的无意义的变化或甚至反应抑制，或者如图3所示，导致目标脑波功率显著降低。

本发明涉及这样的方法：使用包括一个或多个脑电图(EEG)传感器的生物特征传感器来测量来自身体的生物特征信号，并处理所述信号以适配光脉冲，其中，光脉冲用于改变脑电活动。将生物特征传感器和光生物调节灯放置在身体上，并使用所述传感器来建立一段时间上的生物特征信号的基线。此外，本发明测量光生物调节的效果，并以自动化方式对所述刺激做出调整，从而产生闭环系统。

本发明方法提供优于已知方法的改进，已知方法既未虑及脑波活动的非平稳本质，也不适应于个体之间的差异或相同个体随时间的差异。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的可穿戴头戴式设备和连接的移动装置以及计算机系统。

图2是示出了一个人在恒频经颅光生物调节刺激前后的EEG读数的曲线图。

图3是示出了一个人在根据本发明实施例的间隔闭环自适应经颅光生物调节刺激前后的EEG读数的曲线图。

图4是示出了光生物调节的剂量反应曲线的曲线图。

图5是展示了根据本发明实施例的自适应闭环经颅光生物调节期间的峰值α频率的曲线图。

图6是展示了没有经颅光生物调节的峰值α频率的曲线图。

具体实施方式

现在参考具体实施例和附图来提供对本发明的详细描述。

在一个方面，本发明在图1中示出的具有耳机2和6的头戴式装置1中提供EEG传感器和光生物调节(PBM)LED 7。在图1中示出的实施例中，本发明的耳机在具有耳机的可穿戴的头戴式装置中结合了用于EEG(脑电图)测量的EEG传感器3、4和5以及用于心率和心率变异性(HRV)测量的光电容积描记(PPG)传感器8。PPG传感器8可以结合在耳罩式耳机设计内，这降低了环境噪声，从而允许更高的精确度。本发明提供了具有从用户收集生理信号的嵌入式生物特征传感器的可穿戴的头戴式设备1。该装置包括蓝牙(无线)音频和数据传输12，其可以用于将装置1和2连接至控制单元，控制单元可以是具有图形触摸屏显示器10的智能手机或移动装置9，并且所述控制单元9具有与位于远程的主控制单元的无线wi-fi连接，主控制单元可以是计算机11。装置1还可以包括可充电电池、扬声器、麦克风。

本发明利用位于根据国际10-20放置系统的FZ、F3、F4、CZ、PZ、P3和P4的各种光生物调节LED。本发明还利用从包括根据国际10-20放置系统的Fz、Cz和Pz的位置记录的EEG。在其他实施例中，可以利用另外的或替代的LED和EEG传感器放置。

在该方法中，针对光生物调节会话选择目标脑波模式。在一个实施例中，一个人基于其期望的结果选择期望的模式。在另一实施例中，协助该人的技术人员可以选择目标模式，而在仍另一实施例中，系统基于该人当前的生物特征读数而自动选择或建议目标脑波模式。其中，所选模式代表了一个或多个目标频率以及一个或多个目标位置。例如，模式可以包括位置Pz、P3和P4处为10Hz，并且在位置FZ、F3、F4、CZ、PZ、P3和P4处为40Hz。目标脑波模式可以对应于例如冷静或专注或冥想之类的目标状态。

接下来，该人将具有EEG传感器和tPBM LED的可穿戴装置放在头上。该人使用控制单元来开启会话。在一个实施例中，装置可以检测其是否在该人的头上并自动开启会话。装置向控制单元无线传输生物信号数据。其中，所述生物信号数据包括来自该人大脑上一个或多个位置的EEG信号数据。控制单元对生物信号数据应用各种信号处理技术。信号处理可以包括本领域技术人员已知的各种技术，包括噪声滤波(即低通、高通等)和分析技术(即傅里叶变换、小波分析等)。使用经处理的数据来建立该人的基线水平，包括但不限于平均频段功率和峰值频段频率。其中，脑波频段包括δ、θ、α、α-θ、低β、中β、高β和γ。

接下来，控制单元基于基线生物特征水平和目标脑波模式确定每个灯位置的光脉冲模式，并且装置将脉冲模式应用于LED。在该方法中，所述光脉冲模式包括以下各项：

1.一个或多个LED位置。

2.LED占空比。

3.LED功率输出。

4.光脉冲频率，其中，光以给定频率进行开关脉冲。

5.光脉冲持续时间，其中，光以指定频率进行脉冲达给定的持续时间。

6.光脉冲间隙持续时间，其中，光脉冲在光脉冲持续时间之后暂停。

7.重复持续时间，其中，光脉冲和间隙序列重复达指定持续时间。

8.暂停间隔，其中，在重复持续时间之后，该模式暂停达给定时间段。

控制单元和装置可以通过改变LED功率输出、LED占空比并通过利用光脉冲间隙和暂停间隔来随时间调整能量剂量输出。光脉冲间隙持续时间和暂停间隔通过允许该人的大脑有时间来转换所吸收的能量并稳定在个体的剂量吸收极限内而提供了重要优势。这还允许使用进一步穿透生物组织的更高能量的LED。最后，这使得能够在不改变占空比的情况下随时间控制剂量。因为LED脉冲频率和占空比的组合会影响每个单独光脉冲期间的细胞暴露时间。

装置和控制单元利用各种信号分析和分类技术来持续地评估该人的生物特征信号。在一个实施例中，控制单元监测该人的EEG功率和剂量-反应曲线(图4)。其中，控制单元基于该人的EEG功率水平趋势和斜率将其能量吸收映射到剂量-反应曲线。其中，该人的EEG功率的斜率关于剂量-反应曲线而增大和减小。

在另一实施例中，在基线时间段期间记录峰值α频率。在该实施例中，控制单元基于该人的峰值α频率趋势和斜率将其能量吸收映射到剂量-反应曲线。然而，峰值α频率的增大映射到剂量-反应曲线，并与tPBM刺激的持续吸收相对应，而减小则指示峰值剂量-反应曲线的结束。因为该人的峰值α频率的斜率改变了。

在本发明的仍另一实施例中，可以使用一个或多个其他生物特征指标来映射和测量tPBM刺激的剂量-反应曲线，包括心率(HR)、心率变异性(HRV)、脉搏容积、呼吸率、皮电反应(GSR)、EEG同步、EEG幅度、相对EEG功率和总EEG功率。

在优选实施例中，基于剂量-反应曲线、目标脑波模式、EEG功率、峰值频段频率、基线生物特征水平和后续生物特征信号中的变化，控制单元适配每个灯位置的光脉冲模式。系统在光生物调节会话的持续时间中重复这一过程。根据基于映射出的该人的生物特征水平而检测到的剂量-反应曲线，控制单元随时间增加和减少tPBM剂量。控制单元还确定该人已达到如由生物特征水平变平所指示的剂量-反应曲线的顶部(图4)。在该实施例中，当达到剂量-反应曲线的顶部时，控制单元停止tPBM会话。

在替代实施例中，装置和控制单元可以是同一实体装置。在另一实施例中，控制单元向中央主控制单元传输原始信号数据以进行信号处理。主控制单元可以是集中式服务器，其中所述适配基于多个光生物调节会话。其中，系统学习适应于个体的随时间的最佳剂量-反应曲线。

在一个实施例中，所述发明可以包括一个或多个另外的生物特征传感器，诸如体温、心率、心率变异性、呼吸速率、血氧水平(SPO2)、呼吸率和血压。系统可以使用这些另外的传感器来进一步了解光刺激间隔的适配。

在另一实施例中，所述光脉冲模式可以包括一系列光脉冲频率、间隙和重复持续时间。在仍另一实施例中，所有的光生物调节灯同时使用相同的光模式进行操作。在不同的实施例中，每个光生物调节灯可以独立操作或以具有给定光模式的组来操作。

在仍另一实施例中，除当前生物特征信号外，系统还可以利用随时间收集的生物特征数据的历史来建立该人的基线水平。此外，系统可以随时间学习个体如何对光刺激模式中的变化做出反应，并在其适配光模式时将这些学习实时地结合进来。

在仍另一变型中，系统可以包括服务器和数据库，其中，使用来自许多不同用户会话的学习来适配光脉冲模式。在该变型中，系统可以包括用来确定如何适配光模式的机器学习算法。

现在参考各种工作示例，以及本发明方法与常规方法的比较。

参考图2，该曲线图展示了使用所述刺激方法显著降低EEG幅度。在基于10-20放置系统的头上的PZ位置在8至12Hz范围(α频段)中收集数据。其中，使用以10为基数的对数标度，使用初始的60秒基线来建立分贝范围。在收集到了4分钟的刺激前数据后，接着收集10分钟的使用10Hz频率的恒频刺激，然后收集4分钟的刺激后数据。图2可直接与图3进行比较。

参考图3，该曲线图展示了使用所述刺激方法显著增大EEG幅度。在基于10-20放置系统的头上PZ位置在8至12Hz范围(α频段)中收集数据。其中，使用以10为基数的对数标度，使用初始的60秒基线来建立分贝范围。在收集了4分钟的刺激前数据后，接着收集10分钟的使用10Hz的光脉冲频率的间隔闭环自适应刺激，然后收集4分钟的刺激后数据。图3可直接与图2进行比较。

如这里已讨论的，图4示出了光生物调节的剂量反应曲线。因此，本发明方法尝试通过使用闭环技术来在峰值吸收处或接近峰值吸收处停止自适应经颅光生物调节。

图5和图6展示了根据这里公开的本发明方法的自适应闭环经颅光生物调节的实用性和有效性。如可以通过查看这些曲线图而看到的，通过使用自适应闭环技术，极大地增强了峰值α频率。有研究表明，峰值α频率与认知表现相关。

这里提供的公开内容旨在提供所要求保护的发明的示例性实施例，而非旨在是排他的或穷尽的。本领域技术人员将理解，在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，对所要求保护的装置和方法的变型是可能的。

Claims

1.一种用于自适应经颅光生物调节的方法，包括：

使用生物特征传感器测量个体的生物特征信号；

处理所述生物特征信号；

基于经处理的生物特征信号来适配光生物调节；

向所述个体提供光生物调节；以及

产生生物反馈回路，其中，所述光生物调节被适配成使所述个体的生物特征信号趋向目标状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物特征传感器是EEG、PPG传感器、EKG传感器和皮电反应传感器中的一个或多个。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述生物特征信号是对一个或多个电信号和光信号的测量，所述一个或多个电信号和光信号基于来自大脑、心脏、血液和皮肤的活动而变化。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，测量所述生物特征信号的步骤包括确定所述个体的基线生物特征信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基线生物特征信号可以是频段功率、峰值频段频率、皮电反应、血氧水平、脉搏容积、心率和心率变异性中的一个或多个。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括向所述个体提供头戴式可穿戴装置，所述头戴式可穿戴装置包括所述生物特征传感器、控制单元和光生物调节光脉冲的至少一个源。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述目标状态通过到所述控制单元的用户或技术人员输入来设置，或由所述控制单元独立选择。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过调节PBM的一个或多个属性并评估对测得的生物特征信号的影响来实现所述光生物调节的适配，以使所述生物特征信号趋向所述目标状态。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，被调节的PBM属性可包括LED位置、LED占空比、LED功率、脉冲频率、脉冲持续时间、脉冲间隙持续时间、重复持续时间和暂停间隔中的一个或多个。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，通过参考反馈回路的产生和基线度量中的变化来实现所述光生物调节的适配，以使EEG频段功率或峰值频段频率趋向目标状态。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其中，通过参考反馈回路的产生和基线度量中的变化来实现所述光生物调节的适配，以使大脑或心脏频段功率、峰值频段频率、皮电反应、血氧水平、脉搏容积、心率或心率变异性趋向目标状态。

12.根据权利要求6至11中的任一项所述的方法，其中，所述可穿戴装置还包括允许通过智能手机或其他启用无线的装置控制所述可穿戴装置的无线通信模态。