一种闭环脑电调控方法及系统

1.本技术涉及超声刺激神经调控技术领域，尤其涉及一种闭环脑电调控方法及系统。


背景技术：

2.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。
3.超声作为神经调控技术，可以广泛应用于细胞、啮齿类动物、非人灵长类动物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，还很少出现闭环超声系统的使用，在调控时不能在刺激的过程中根据对象的特征情况实时改变刺激参数。
4.此外，在哺乳动物的脑电中一个很重要的节律就是θ节律，θ节律是由海马中间神经元和锥体神经元在局部的相互作用产生的，θ节律对多个类型的学习和记忆过程起到关键的作用，同时对突触可塑性的调节作用也至关重要。然而，现有的闭环脑电调控方法均未考虑θ节律。为此，本技术提出一种闭环脑电调控方法及系统。


技术实现要素：

5.本技术的目的是针对以上问题，提供一种闭环脑电调控方法及系统。
6.第一方面，本技术提供一种闭环脑电调控方法，所述方法包括如下步骤：
7.接收实验对象的脑电信号；
8.预处理所述脑电信号，得到预处理脑电信号；
9.计算处理所述预处理脑电信号，得到θ节律脑电信号和脑电特征值；
10.对所述θ节律脑电信号和所述脑电特征值进行处理，得到超声刺激参数和θ节律设定刺激相位；
11.根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位，对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控。
12.根据本技术某些实施例提供的技术方案，预处理所述脑电信号，得到预处理脑电信号，具体包括如下步骤：
13.对所述脑电信号进行降采样、50hz陷波去噪和4-200hz滤波处理，得到预处理脑电信号。
14.根据本技术某些实施例提供的技术方案，计算处理所述预处理脑电信号，得到θ节律脑电信号和脑电特征值，具体包括如下步骤：
15.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；
16.计算处理所述预处理脑电信号和所述θ节律脑电信号，得到所述脑电特征值。
17.根据本技术某些实施例提供的技术方案，对所述θ节律脑电信号和所述脑电特征值进行处理，得到超声刺激参数和θ节律设定刺激相位，具体包括如下步骤：
18.计算所述脑电特征值和预设期望值的误差，并按照控制策略得到超声调控参数；
19.采用希尔波尔变换计算所述θ节律脑电信号的θ节律相位；
20.根据θ节律相位和预测模型预测所述θ节律脑电信号的θ节律设定刺激相位。
21.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述控制策略为广义最小方差控制策略。
22.根据本技术某些实施例提供的技术方案，根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位，对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控，具体包括如下步骤：
23.根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位生成第一控制波形信号；
24.放大处理所述第一控制波形信号，得到第二控制波形信号；
25.将所述第二控制波形信号使能为超声波信号输出；
26.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。
27.第二方面、本技术提供一种上述闭环脑电调控方法的闭环脑电调控系统，包括：
28.处理模块，配置用于接收并预处理所述实验对象的脑电信号，以得到预处理脑电信号，还配置用于计算处理所述预处理脑电信号，以得到θ节律脑电信号和脑电特征值；
29.控制模块，配置用于对所述θ节律脑电信号和所述脑电特征值进行处理，以得到超声刺激参数和θ节律设定刺激相位；
30.超声刺激模块，配置用于根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位，对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控。
31.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述处理模块包括：
32.预处理模块，配置用于接收所述脑电信号，并对所述脑电信号进行降采样、陷波去噪和滤波处理，以得到预处理脑电信号；
33.θ节律脑电计算模块，配置用于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；
34.脑电特征值计算模块，配置用于计算处理所述预处理脑电信号和所述θ节律脑电信号，得到所述脑电特征值。
35.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述控制模块包括：
36.θ节律相位预测模块，配置用于采用希尔波尔变换计算所述θ节律脑电信号的θ节律相位，还配置用于根据θ节律相位和预测模型预测所述θ节律脑电信号的θ节律设定刺激相位；
37.超声调控参数计算模块，配置用于计算所述脑电特征值和预设期望值的误差，并按照控制策略得到超声调控参数。
38.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述超声刺激模块包括：
39.信号发生模块，配置用于根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位生成第一控制波形信号；
40.功率放大模块，配置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；
41.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；
42.准直模块，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。
43.与现有技术相比，本技术的有益效果：本技术提供的闭环脑电调控方法包括：接收实验对象的脑电信号；预处理所述脑电信号，得到预处理脑电信号；计算处理所述预处理脑电信号，得到θ节律脑电信号和脑电特征值；对所述θ节律脑电信号和所述脑电特征值进行处理，得到超声刺激参数和θ节律设定刺激相位；根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位，对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控；本技术通过实时采集分析实验对象的脑电信号，使用闭环超声刺激技术，实现以脑电θ节律作为标志物对实验对象进行脑电调控。
44.θ节律的频段在4-8hz，周期在125-250ms，方便在存在ms级设备运算延迟情况下，保证脑电闭环调控中的刺激准确度；脑电θ节律作用于学习和记忆过程，以脑电θ节律作为标志物进行闭环脑电调控，能够进一步调节学习记忆相关的神经作用机制和可塑性神经通路，有利于研究改善实验对象的学习记忆和认知功能。
附图说明
45.图1为本技术实施例1提供的闭环脑电调控系统的结构示意图；
46.图2为本技术实施例2提供的闭环脑电调控方法的流程图；
47.图3为图2中步骤s3的具体流程图；
48.图4为图2中步骤s4的具体流程图；
49.图5为图2中步骤s5的具体流程图。
具体实施方式
50.为了使本领域技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
51.实施例1
52.请参考图1，本实施例提供一种闭环脑电调控系统，所述系统包括采集模块、处理模块、控制模块和超声刺激模块。
53.所述采集模块，连接在实验对象上，用于实时采集实验对象的脑电信号；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海马ca1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比电极和接地电极；所述神经信号处理器与脑电电极相连接，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脑电信号处理模块。
54.在本实施例中，所述神经信号处理器的型号可选的采用bio-signal technologies公司的apolloⅱ神经信号处理器，采样频率为30khz，通过usb接口与pc机相连接。
55.所述处理模块，与所述采集模块相连接，用于接收采集模块所采集的实验对象的
脑电信号，并对所述脑电信号进行预处理以得到预处理脑电信号，还配置用于计算处理所述预处理脑电信号，以得到θ节律脑电信号和脑电特征值。
56.具体地，所述处理模块包括：预处理模块、θ节律脑电计算模块和脑电特征值计算模块。
57.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信号，并对所述脑电信号进行降采样、50hz陷波去噪和4-200hz滤波处理，以得到预处理脑电信号，还配置用于将所述预处理脑电信号发送给所述θ节律脑电计算模块和所述脑电特征值计算模块。
58.所述θ节律脑电计算模块，配置用于对所述预处理脑电信号进行4-8hz滤波，以得到θ节律脑电信号，还配置用于将所述θ节律脑电信号发送至所述脑电特征值计算模块和所述控制模块。
59.所述脑电特征值计算模块，配置用于计算处理所述预处理脑电信号和所述θ节律脑电信号，以得到所述脑电特征值，还配置用于将所述脑电特征值发送至所述控制模块。其中，脑电特征值包括预处理脑电信号的绝对功率、θ节律脑电信号相对于预处理脑电信号的相对功率、样本熵等。
60.所述控制模块，配置用于对所述θ节律脑电信号和所述脑电特征值进行处理，以得到超声刺激参数和θ节律设定刺激相位。
61.具体地，所述控制模块包括：θ节律相位预测模块和超声调控参数计算模块。
62.所述超声调控参数计算模块，与所述脑电特征计算模块相连接，配置用于计算所述脑电特征值和预设期望值的误差，并按照控制策略得到超声调控参数，还配置用于将所述超声调控参数发送至所述超声刺激模块。其中，所述超声调控参数包括超声大小、时长等参数。
63.所述θ节律相位预测模块，与所述θ节律脑电计算模块相连接，配置用于接收所述θ节律脑电信号，并采用希尔波尔变换计算所述θ节律脑电信号的θ节律相位，还配置用于通过预测模型预测θ节律设定刺激相位的时间得到超声刺激时间，并根据超声刺激时间将超声输出指令发送至所述超声刺激模块；所述θ节律预测模型可以根据历史脑电θ节律对未来一段时间的θ节律相位进行预测。
64.所述控制策略能够根据当前脑电特征值与预设期望值的误差对超声参数进行调控，达到减小甚至消除误差的效果；在本实施例中，所述控制策略使用的是广义最小方差控制策略，θ节律相位预测模型是ar模型，所述θ节律设定刺激相位为波峰。
65.在本实施例中，所述处理模块和所述控制模块分别由pc机中c++程序与matlab程序实现，所述c++程序与matlab程序之间的数据传输由udp数据包实现。
66.所述超声刺激模块，配置用于根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位，对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控。
67.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。
68.所述信号发生模块，配置用于接收所述θ节律相位预测模块发送的输出指令、和所述调控参数计算模块发送的超声刺激参数，并生成第一控制波形信号。
69.所述信号发生模块是可以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rigol品牌的dg2080型号函数/任意波形发生器，通过usb接口与pc机连接，通过bnc线将信号输出给超声换能器，所接收的控制指令由matlab程序发送。
70.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。
71.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。
72.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，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)。
73.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。
74.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。
75.实施例2
76.本实施例提供一种应用实施例1所述闭环脑电调控系统的闭环脑电调控方法，图2为该方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
77.s1、接收实验对象的脑电信号。
78.在本实施例中，实验对象为实验室进行试验时常用的小黑鼠。
79.s2、预处理所述脑电信号，得到预处理脑电信号。
80.本步骤具体包括：对所述脑电信号进行降采样、50hz陷波去噪和4-200hz滤波处理，得到预处理脑电信号。
81.s3、计算处理所述预处理脑电信号，得到θ节律脑电信号和脑电特征值。
82.如图3所示，本步骤具体包括：
83.s31、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；
84.s32、计算处理所述预处理脑电信号和所述θ节律脑电信号，得到所述脑电特征值。
85.s4、对所述θ节律脑电信号和所述脑电特征值进行处理，得到超声刺激参数和θ节律设定刺激相位。
86.如图4所示，本步骤具体包括：
87.s41、计算所述脑电特征值和预设期望值的误差，并按照控制策略得到超声调控参数；
88.s42、采用希尔波尔变换计算所述θ节律脑电信号的θ节律相位；
89.s43、根据θ节律相位和预测模型预测所述θ节律脑电信号的θ节律设定刺激相位。
90.s5、根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位，对所述实验对象发出超声刺激以进行脑电调控。
91.如图5所示，本步骤具体包括：
92.s51、根据所述超声刺激参数和所述θ节律设定刺激相位生成第一控制波形信号；
93.s52、放大处理所述第一控制波形信号，得到第二控制波形信号；
94.s53、将所述第二控制波形信号使能为超声波信号输出；
95.s54、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。
96.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本技术的保护范围。