基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统及使用方法

本发明属于生物信息，特别涉及个体化的慢波识别算法和基于闭环声刺激和光生物调控技术的睡眠剥夺系统及其使用方法。

背景技术：

1、睡眠对我们的身心健康至关重要，慢波睡眠处于非快速眼动(non-rapid eyemovement,nrem)睡眠阶段3期(nrem3,n3)中，在此期间，大脑信号以0.5～2hz频率在去极化的up状态和超极化的down状态之间交替，形成慢波振荡。

2、目前，对于调控睡眠慢波的研究已经取得显著进展，大多是以增强慢波为目的，以实现宏观睡眠质量或者认知功能的改善。现有研究表明，在睡眠慢波的up状态施加刺激能够有效增强慢波，提高慢波的幅度，改善睡眠；而对慢波的down状态施加刺激将在一定程度上抑制慢波的幅度，甚至减少慢波的连续个数。

3、调控睡眠的物理手段有经颅磁刺激、经颅电刺激、感官刺激(听觉、视觉)、光生物调控等。其中，由于空间聚焦性强的优势，经颅磁刺激是目前临床广泛使用的物理治疗失眠的方法，但其存在体积庞大、成本高、舒适度低的缺点；经颅电刺激可以直接引起大脑皮层双相的、极性依赖的电学改变，但会在睡眠监测过程中带来刺激伪迹；而听觉刺激可以通过听觉通路呈现特定类型的声音，从而促进大脑放松、降低紧张情绪、调节呼吸和心率；光生物调控技术是一种使用红光或近红外光为调控源的无创光疗调控手段，通过生物体内源性生色团引发的一系列的光生物刺激效应，用以调整机体的生理生化反应，具有实施简便、无伪迹等优势。相较磁刺激和电刺激而言，听觉刺激更加便携且易实现，且由于其实时性以及刺激水平连续性较好，能够为调控大脑活动提供即时快速且相对准确的生理层面依据和反馈，实现脑电层面精准的节律或振荡相位追踪，达到实时闭环的精准调控。但听觉刺激主要作用于大脑的颞叶。

4、针对睡眠调控的操控方法，最常见的是与大脑状态无关设计的，即刺激是以开环方式应用。相比之下，考虑到大脑内源性活动或振荡，闭环听觉刺激(closed-loopauditory stimulation,clas)已逐渐成为一种很有前途的技术，研究人员通过听觉通路选择性地靶向和呈现音调，以达到在睡眠期间增强或抑制特定的脑电波。通过脑电图(electroencephalography，eeg)实时评估大脑活动，clas可以精确识别特定睡眠阶段的特定振荡和相位，并随后控制听觉刺激的时间和阶段，使听觉刺激的发出与正在进行的睡眠振荡的特定阶段相吻合。

5、迄今为止，出现了多种实时检测慢波信号的方法，如幅值法、正弦拟合、锁相环、地形模板等，不同的算法基于不同的运算原理，有的直接利用慢波最明显的生理特征来进行检测，有的将慢波信号从时域转化到频域进行检测，有的延用相关领域的公式和方法对慢波信号进行检测。总的来说这些算法各有各的特点，一些算法针对于不同类型的慢波进行检测，而另外一些算法只针对于某个问题上特定的慢波进行检测与分析，但它们可能都忽略了个体间的差异和慢波信号在夜间随机/固有的变化会对慢波实时检测算法带来不可忽视的影响。

6、在算法的识别准确率上：对慢波的识别不能保证，往往会出现检测结果假阳性的问题。例如：大多数算法的核心都是通过提取脑电信号的瞬时特征，再比对检测后的特征与慢波特征的接近程度来对识别做预测；简单的闭环算法中也只是根据瞬时特征进行反馈，检测算法并没有以个体为模板基准进行参考和参数的调节。

7、空间位置上：没有考虑到采集脑区电极位置的变化、以及睡眠中同步脑区的不同、没有依据生理反馈进行初步的改良。

8、个体特征上：个体间慢波信号在夜间随时间固有/随机的变化，以及个体间独有的信号特征差异并没有在以往算法的考虑范围内。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统及使用方法，基于睡眠慢波的“单摆效应”模型，在慢波下降沿施加反向刺激，并提供一种睡眠剥夺系统，该系统结合个性化的慢波识别算法精准定位慢波down状态，通过听觉刺激与光生物调控相结合的技术手段实现睡眠剥夺。

2、本发明采用的技术方案之一为：一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统，包括：交互界面、控制模块、脑电采集模块、个体化慢波识别算法模块和刺激模块；

3、交互界面用于输入刺激信息，所述刺激信息包括刺激的阈值、每个慢波周期中刺激的个数、每个刺激强度对应的刺激时长、延迟刺激时间以及刺激地址；

4、控制模块根据交互界面输入的刺激信息，向脑电采集模块下发信号采集指令；并基于脑电采集模块上传的脑电信号，调用个体化慢波识别算法模块对脑电信号进行慢波识别；

5、个体化慢波识别算法模块匹配到慢波出现的时刻后，控制模块根据交互界面输入的刺激信息，将每个刺激地址及对应的刺激参数封装成多个刺激子命令，再按照刺激地址的顺序依次发送至刺激模块；

6、刺激模块根据接收到的刺激子命令，获取刺激信息，刺激地址对应的刺激通道产生当前刺激子命令对应的驱动电压，驱动产生刺激作用。

7、所属刺激模块包括听觉刺激单元与光生物刺激单元；所述听觉刺激单元作用于大脑的颞叶区域，所述光生物刺激单元作用于大脑的额叶区域。

8、所述个体化慢波识别算法模块匹配到慢波出现的时刻，具体为慢波down状态。

9、本发明采用的技术方案之二为：一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统的应用方法，包括：

10、s1、对待测试对象基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统采集第一次脑电数据，并根据第一次脑电数据建立个性化模板；

11、s2、对待测试对象基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统采集第二次脑电数据，然后基于步骤s1建立的个性化模板，进行慢波下降沿down状态的持续时间的识别；

12、s3、将慢波up状态的波峰作为刺激开始的位置，开启听觉与光刺激序列，并根据慢波下降沿down状态的持续时间预测的刺激维持的时间t来控制刺激作用时间。

13、本发明的有益效果：在nrem睡眠中，慢振荡反映了丘脑和大脑皮层神经元静息膜电位的变化，它们在去极化的up(活跃)和超极化的down(静止)状态之间切换。在up状态，丘脑皮质细胞(中继神经元)和皮质丘脑细胞表现出强烈的突触活动(兴奋和抑制)和动作电位的爆发，而在down状态，它们的膜超极化诱导相对静止期。在nrem睡眠期间来回的up和down状态的交替产生了<1hz频率的缓慢振荡。而本发明在nrem阶段采用闭环听觉刺激和光生物调控作用于慢波down状态，通过声音和光抑制大脑神经元信号在去极化的up活跃状态和超极化的down状态之间的转换，打断额叶脑区和颞叶脑区主要脑电活动之间的耦合，能够对nrem睡眠阶段大脑自发慢波信号的连续性和强度进行破环，从而使得睡眠结构的稳定性和睡眠质量的降低，实现特定的睡眠剥夺。

技术特征：

1.一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统，其特征在于，包括：交互界面、控制模块、脑电采集模块、个体化慢波识别算法模块和刺激模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统，其特征在于，所述刺激模块包括听觉刺激单元与光生物刺激单元；所述听觉刺激单元作用于大脑的颞叶区域，所述光生物刺激单元作用于大脑的额叶区域。

3.根据权利要求2所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统，其特征在于，所述个体化慢波识别算法模块匹配到慢波出现的时刻，具体为慢波down状态。

4.根据权利要求3所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统，其特征在于，听觉刺激与光刺激采用短时、间歇性阶梯型刺激序列，在慢波的down状态施加同频反向的刺激。

5.根据权利要求4所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统，其特征在于，脑电采集模块包括：头戴式脑电帽、2个通道眼电图信号电极、2个通道肌电图信号电极；所述头戴式脑电帽包括28个通道的脑电图信号电极；

6.一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统的应用方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统的应用方法，其特征在于，步骤s1所述个性化模板具体收集慢波的以下特征：

8.根据权利要求7所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统的应用方法，步骤s1建立个性化模板用到的慢波为离线的慢波检测算法和睡眠医师共同标记的慢波；所述离线的慢波检测算法标记慢波的过程为：若采集的第一次脑电数据满足以下3个条件，则判定为慢波：

9.根据权利要求8所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统的应用方法，步骤s2在识别慢波前包括对离线的慢波检测算法的第一阈值、第二阈值、第三阈值进行更新；具体的：提取步骤s1识别出的各慢波对应的down状态的过零点与up状态的过零点间隔时间、down状态的过零点与up状态的过零点之间的最负峰值、最负峰值与即将来临的最大峰值之间的幅度，这3个特征，取各特征的平均值，依次作为对应的第一阈值、第二阈值、第三阈值。

10.根据权利要求9所述的一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统的应用方法，步骤s3中预测刺激维持的时间t具体过程为：根据识别出的慢波下降沿down状态的持续时间对应的睡眠深度，根据慢波生理特征在个性化模板匹配对应的特征权重，采用多元线性回归模型得到预测的刺激维持的时间t。

技术总结
本发明公开一种基于闭环声刺激和光生物调控的睡眠剥夺系统及使用方法，应用于生物信息技术领域，针对现有听觉刺激在调控脑区上存在的单一性，使得睡眠调控效果较差的问题；本发明在采用听觉刺激作用于大脑的颞叶的同时，结合光生物调控技术同时对大脑额叶进行刺激，具体的：本发明将自然通道输入的听觉刺激与光生物调控技术的直接脑状态调控相结合，建立初级‑高级皮层通路协同调控的模式，同时对两个脑区的睡眠慢波DOWN状态进行调控，进一步提升睡眠剥夺的效果。

技术研发人员：应少飞,章乐,秦代友,刘思源,王林,谢佳欣,郜东瑞,刘铁军
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30