一种微电流刺激诱导精神状态的方法和装置与流程

1.本发明涉及医疗电子的技术领域，更具体地，涉及一种微电流刺激诱导精神状态的方法和装置。


背景技术：

2.近年来，无创神经调控作为潜在的物理治疗神经及精神性疾病的手段，被广泛用于科学研究和医疗领域。经颅电刺激是一种以神经刺激的形式，通过头部的电极将电流作用于头部，用来治疗或缓解精神和身体症状、研究大脑机制的无创神经调控方法。目前已有研究使用低强度的直流电或交流电来研究经颅电刺激对大脑的调控效果，包括经颅直流电刺激、经颅交流电刺激和经颅随机噪声电刺激，这三种方法被认为是基本无痛苦的，可以用于调节自发神经活动或与认知任务关联的非自发神经活动，引起神经网络产生较为平缓的改变。但是无创神经调控的效果存在巨大个体差异，不同个体采用相同调控方案意义不大；现在市面上多数电刺激设备仅能实现电流强度的按键控制，无法实现电波形参数可调，而使用相同电波形对不同个体进行精神诱导，调控方案不具有个体差异性，诱导效果差。
3.2019年4月16日公开的中国专利申请cn109621156a提供了一种脑电反馈式微电流刺激助眠仪及应用方法，包括脑电采集模块、脑电分析模块、人机交互模块、控制模块和微电流刺激模块；通过脑电采集模块、脑电分析模块对脑电进行采集分析，对用户的睡眠状态进行判断并保存；控制模块根据脑电采集模块、脑电分析模块采集到的脑电信息实时地对微电流刺激模块进行调整，实现了对刺激信号的实时调整。该方法仅能实现电流强度的控制调节，无法针对不同个体设计具有针对性的电波形，刺激效果差。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有的经颅电刺激输出的电波形固定，不具有个体差异性，诱导效果差的缺陷，提供一种微电流刺激诱导精神状态的方法和装置，可以针对不同个体的具体精神状况，调整电波形参数，合成具有个体差异性的刺激波形，输出与刺激波形对应的刺激微电流进行精神诱导，诱导效果好。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.本发明提供了一种微电流刺激诱导精神状态的方法，所述方法包括：
7.s1：获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数；
8.s2：基于历史电刺激波形参数和/或当前人体生理参数，获得刺激信号的基础波形参数；
9.s3：对刺激信号的基础波形参数进行优化，获得刺激信号的优化波形参数；
10.s4：根据刺激信号的优化波形参数合成组合电刺激波形；
11.s5：对组合电刺激波形进行处理；
12.s6：根据处理后的组合电刺激波形产生相应的刺激微电流，对用户的精神状态进行诱导；
13.s7：对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的人体生理参数，并记录累积诱导时长；
14.s8：设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小；若累积诱导时长小于刺激时间阈值，则将诱导后的人体生理参数作为当前人体生理参数并储存，重复步骤s2
‑
s7；否则，结束精神状态诱导。
15.本发明首先获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数，用户的历史电刺激波形参数能够准确反映出历史电刺激波形对用户的精神状况的诱导效果，当前人体生理参数能够准确反映出当前的精神状况；根据用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数，设计出一组刺激信号的基础波形参数，对基础波形参数优化后，合成组合电刺激波形，本发明为不同用户设计具有针对性的组合电刺激波形进行精神诱导，诱导方案具有个体差异性，保证了后续良好的诱导效果；对组合电刺激波形进行处理，产生相应的刺激微电流，使刺激微电流符合精神诱导的要求。利用刺激微电流对用户的精神状态进行诱导，同时对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的人体生理参数和累积诱导时长，将实时监控获得的人体生理参数设置为当前人体生理参数，作为下一时刻设计刺激信号的基础波形参数的数据基础，保证了精神诱导的实时性，有效提高诱导效果。设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小，可以有效避免因长时间刺激引起刺痛不适的情况的发生。
16.优选地，所述s1中，利用生理测量方法获取用户的当前人体生理参数；所述生理测量方法包括脑电图、肌电图、核磁共振成像、心率测量和血压测量。
17.优选地，所述s2中，获得刺激信号的基础波形参数的具体方法为：
18.当用户是首次进行精神状态诱导时，根据当前人体生理参数自定义设置刺激信号的基础波形参数；当用户不是首次进行精神状态诱导时，选用历史电刺激波形参数，结合当前人体生理参数，设置刺激信号的基础波形参数；所述刺激信号的基础波形参数包括幅度、频率、相位和占空比。
19.优选地，所述s3中，利用最优化算法对刺激信号的基础波形参数进行优化。
20.优选地，所述s4中，获得刺激信号的优化波形参数的具体方法为：
21.对于一组可调的波形，设置参数向量z，参数向量z由n个幅度参数和n个频率参数组成；当可调波形为正弦波时，
[0022][0023]
当可调波形为方波时，
[0024]
x(t)＝sum(a
i
·
square(ω
i
*t))
[0025]
z＝[a
0 a1ꢀ…ꢀ
a
n
‑
1 ω
0 ω1ꢀ…ꢀ
ω
n
‑1]
t
[0026]
其中，a
i
表示第i个幅度参数，ω
i
表示第i个频率参数，t表示时间；a
i
∈[a0ꢀ…ꢀ
a
n
‑1]，ω
i
∈[ω0ꢀ…ꢀ
ω
n
‑1]；[*]
t
表示求转置操作；
[0027]
设置目标函数为：
[0028][0029]
设置约束条件：
[0030]
|x(t)|≤a
max
，max|x(t)|≥a
min
，ω
i
≤ω
max
[0031]
其中，||*||0表示l0范数，|*|表示求绝对值操作，a
max
表示可调波形峰值上限，a
min
可调波形峰值下限，ω
max
表示频率参数最大值；ω
max
的取值范围为[ω0，ω
n
‑1]；
[0032]
用l1范数替换l0范数，即将
[0033][0034]
替换为：
[0035][0036]
从一段时间区间上任取m个点，将约束条件转化为有限约束，求解出参数向量z取最低纬度时对应的幅度参数和频率参数，并将波形的相位设置为0，占空比设置为50％，共同作为刺激信号的优化波形参数。
[0037]
优选地，所述s5中，对组合电刺激波形进行处理的具体方法为：
[0038]
s5.1：将组合电刺激波形转化为模拟电压信号；
[0039]
s5.2：对模拟电压信号进行滤波操作，去除高频分量。
[0040]
将组合电刺激波形转化为模拟电压信号，模拟电压信号的正负信号需要具有相等的最大幅值；并且，转化的模拟电压信号不需要高频成分，即高频电磁干扰，需要对模拟电压信号进行波形平滑，去除高频分量。
[0041]
优选地，所述s6中，对用户的精神状态进行诱导的具体方法为：
[0042]
设置微电流持续时间t1和暂停时间t2，将刺激微电流施加在用户的可行部位，按照设置的持续时间t1和暂停时间t2交替进行，对用户的精神状态进行诱导。
[0043]
将刺激微电流施加在用户的可行部位，例如太阳穴或耳垂，电流刺激持续t1分钟，暂停t2分钟，再持续t1分钟，暂停t2分钟，交替进行。持续时间t1和暂停时间t2均可以根据用户的实时感受进行调整。
[0044]
优选地，所述s7中，累积诱导时长为微电流持续时间的总和。
[0045]
本发明还提供一种微电流刺激诱导精神状态的装置，所述装置包括：
[0046]
数据获取模块，用于获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数；
[0047]
波形设计模块，根据历史电刺激波形参数和/或当前人体生理参数，获得刺激信号的基础波形参数；
[0048]
波形优化模块，用于对刺激信号的基础波形参数进行优化，获得刺激信号的优化波形参数；
[0049]
波形合成模块，根据刺激信号的优化波形参数合成组合电刺激波形；
[0050]
波形处理模块，对组合电刺激波形进行处理；
[0051]
放电模块，根据处理后的组合电刺激波形产生相应的刺激微电流，对用户的精神状态进行诱导；
[0052]
状态监控模块，用于对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的脑波参数，并记录累积诱导时长；
[0053]
时间判断模块，用于设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小；若累积诱导时长小于刺激时间阈值，则将诱导后的脑波参数作为当前人体生理参数，返回波形设计模块；否则，结束精神状态诱导。
[0054]
优选地，所述波形处理模块包括：
[0055]
数模转换单元，用于将组合电刺激波形转化为模拟电压信号；
[0056]
滤波单元，用于对模拟电压信号进行滤波操作，去除高频分量。
[0057]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0058]
本发明首先获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数，用户的历史电刺激波形参数能够准确反映出历史电刺激波形对用户的精神状况的诱导效果，当前人体生理参数能够准确反映出当前的精神状况；根据用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数，设计出一组刺激信号的基础波形参数，对基础波形参数优化后，合成组合电刺激波形，为不同用户设计具有针对性的组合电刺激波形进行精神诱导，诱导方案具有个体差异性，保证了后续的诱导效果；对组合电刺激波形进行处理，产生相应的刺激微电流，使刺激微电流符合精神诱导的要求。利用刺激微电流对用户的精神状态进行诱导，同时对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的人体生理参数和累积诱导时长，将实时监控获得的人体生理参数设置为当前人体生理参数，作为下一时刻设计刺激信号的基础波形参数的数据基础，保证了精神诱导的实时性，有效提高诱导效果。设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小，可以有效避免因长时间刺激引起刺痛不适的情况的发生。
附图说明
[0059]
图1为实施例1所述的一种微电流刺激诱导精神状态的方法的流程图；
[0060]
图2为实施例1所述的没有添加直流偏置的正弦波合成的组合电刺激波形；
[0061]
图3为实施例1所述的没有添加直流偏置的方波合成的组合电刺激波形；
[0062]
图4为实施例1所述的添加直流偏置的正弦波合成的组合电刺激波形；
[0063]
图5为实施例1所述的添加直流偏置的方波合成的组合电刺激波形；
[0064]
图6为实施例2所述的一种微电流刺激诱导精神状态的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0065]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0066]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0067]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0068]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0069]
实施例1
[0070]
本实施例提供了一种微电流刺激诱导精神状态的方法，如图1所示，所述方法包括：
[0071]
s1：获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数；
[0072]
利用生理测量方法获取用户的当前人体生理参数；所述生理测量方法包括脑电图、肌电图、核磁共振成像、心率测量和血压测量。
[0073]
本实施例中，利用脑电图测量设备对用户脑状态进行监测，脑电图测量设备带有的脑电采集通道数可以是1、2、4、8、16或其他，基于便携性、成本、穿戴简易性等方面的考
虑，选择通道数较少的脑电图测量设备获取当前用户脑状态数据。
[0074]
s2：基于历史电刺激波形参数和/或当前人体生理参数，获得刺激信号的基础波形参数；
[0075]
当用户是首次进行精神状态诱导时，根据当前人体生理参数自定义设置刺激信号的基础波形参数；当用户不是首次进行精神状态诱导时，选用历史电刺激波形参数，结合当前人体生理参数，设置刺激信号的基础波形参数；
[0076]
对于人体生理参数，利用脑电图测量设备得到用户的脑电图，通过快速傅里叶变换，提取出不同频率的脑电图成分，参考不同脑波种类的参数特性，设计具有针对性的刺激信号的基础波形参数，包括幅度、频率、相位和占空比；例如，对睡眠状态的监测，与睡眠有关的脑波种类包括δ波(0.1～3hz)，θ波(4～7hz)，慢速α波(8～9hz)，σ波(12～14hz)，将脑电图按脑波种类频段划分进行成分提取，参照当前脑波种类的参数特性，获得刺激信号的基础波形参数。
[0077]
s3：对刺激信号的基础波形参数进行优化，获得刺激信号的优化波形参数；
[0078]
利用最优化算法对刺激信号的基础波形参数进行优化，具体方法为：
[0079]
对于一组可调的波形，设置参数向量z，参数向量z由n个幅度参数和n个频率参数组成；当可调波形为正弦波时，
[0080][0081]
当可调波形为方波时，
[0082]
x(t)＝sum(a
i
·
square(ω
i
*t))
[0083]
z＝[a
0 a1ꢀ…ꢀ
a
n
‑
1 ω
0 ω1ꢀ…ꢀ
ω
n
‑1]
t
[0084]
其中，a
i
表示第i个幅度参数，ω
i
表示第i个频率参数，t表示时间；a
i
∈[a0ꢀ…ꢀ
a
n
‑1]，ω
i
∈[ω0ꢀ…ꢀ
ω
n
‑1]；[*]
t
表示求转置操作；
[0085]
设置目标函数为：
[0086][0087]
设置约束条件：
[0088]
|x(t)|≤a
max
，max|x(t)|≥a
min
，ω
i
≤ω
max
[0089]
其中，||*||0表示l0范数，|*|表示求绝对值操作，a
max
表示可调波形峰值上限，a
min
可调波形峰值下限，ω
max
表示频率参数最大值；ω
max
的取值范围为[ω0，ω
n
‑1]；
[0090]
用l1范数替换l0范数，即将
[0091][0092]
替换为：
[0093][0094]
从一段时间区间上任取m个点，将约束条件转化为有限约束，求解出参数向量z取最低纬度时对应的幅度参数和频率参数，并将波形的相位设置为0，占空比设置为50％，共同作为刺激信号的优化波形参数。
[0095]
s4：根据刺激信号的优化波形参数合成组合电刺激波形；
[0096]
s5：对组合电刺激波形进行处理；
[0097]
具体方法为：
[0098]
s5.1：将组合电刺激波形转化为模拟电压信号；
[0099]
s5.2：对模拟电压信号进行滤波操作，去除高频分量；
[0100]
将组合电刺激波形转化为模拟电压信号，模拟电压信号的正负信号需要具有相等的最大幅值；并且，转化的模拟电压信号不需要高频成分，即高频电磁干扰，需要对模拟电压信号进行波形平滑，去除高频分量。
[0101]
s6：根据处理后的组合电刺激波形产生相应的刺激微电流，对用户的精神状态进行诱导；
[0102]
具体为，设置微电流持续时间t1和暂停时间t2，将刺激微电流施加在用户的可行部位，按照设置的持续时间t1和暂停时间t2交替进行，对用户的精神状态进行诱导；
[0103]
在本实施例中，用户的可行部位为太阳穴或耳垂；持续时间t1可以设置为5分钟、10分钟或15分钟，根据用户的实时感受进行调整，暂停时间t2置为5分钟。
[0104]
s7：对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的人体生理参数，并记录累积诱导时长；
[0105]
所述累积诱导时长为微电流持续时间的总和。
[0106]
s8：设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小；若累积诱导时长小于刺激时间阈值，则将诱导后的人体生理参数作为当前人体生理参数并储存，重复步骤s2
‑
s7；否则，结束精神状态诱导。
[0107]
在具体实施过程中，本实施例明首先获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数，用户的历史电刺激波形参数能够准确反映出历史电刺激波形对用户的精神状况的诱导效果，当前人体生理参数能够准确反映出当前的精神状况；根据用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数，设计出一组刺激信号的基础波形参数，对基础波形参数优化后，合成组合电刺激波形，本实施例为不同用户设计具有针对性的组合电刺激波形进行精神诱导，诱导方案具有个体差异性，保证了后续的诱导效果；对组合电刺激波形进行处理，产生相应的刺激微电流，使刺激微电流符合精神诱导的要求。利用刺激微电流对用户的精神状态进行诱导，同时对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的人体生理参数和累积诱导时长，将实时监控获得的人体生理参数设置为当前人体生理参数，作为下一时刻设计刺激信号的基础波形参数的数据基础，保证了精神诱导的实时性，有效提高诱导效果。设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小，可以有效避免因长时间刺激引起刺痛不适的情况的发生。
[0108]
如图2
‑
图5所示，为本实施例针对不同个体合成的组合电刺激波形；与现有的常规技术不同，常规技术是提前设置几种不同的常见波形，供用户选择在提前设置的波形中选择，诱导效果差。本实施例提供的方法是根据用户的人体生理参数设计刺激信号的基础波形参数并优化，合成组合电刺激波形，还可以加入直流偏置改变组合电刺激波形，产生的刺激微电流的电流强度峰值一般为0.5ma至2ma。如图2所示，为一组没有添加直流偏置的正弦波合成的组合电刺激波形；如图3所示，为一组没有添加直流偏置的方波合成的组合电刺激波形；如图4所示，为一组添加直流偏置的正弦波合成的组合电刺激波形；如图5所示，为一组添加直流偏置的方波合成的组合电刺激波形。本实施例合成的组合电刺激波形不局限于
以上组合，还可以一组三角波合成、正弦波与方波合成、正弦波与三角波合成、方波和三角波合成，针对每个合成的组合电刺激波形
[0109]
实施例2
[0110]
本实施例提供一种微电流刺激诱导精神状态的装置，如图6所示，所述装置包括：
[0111]
数据获取模块，用于获取用户的历史电刺激波形参数和当前人体生理参数；
[0112]
波形设计模块，根据历史电刺激波形参数和/或当前人体生理参数，获得刺激信号的基础波形参数；
[0113]
波形优化模块，用于对刺激信号的基础波形参数进行优化，获得刺激信号的优化波形参数；
[0114]
波形合成模块，根据刺激信号的优化波形参数合成组合电刺激波形；
[0115]
波形处理模块，对组合电刺激波形进行处理；
[0116]
放电模块，根据处理后的组合电刺激波形产生相应的刺激微电流，对用户的精神状态进行诱导；
[0117]
状态监控模块，用于对诱导后的用户精神状态进行监控，获得诱导后的脑波参数，并记录累积诱导时长；
[0118]
时间判断模块，用于设置刺激时间阈值，比较累积诱导时长与刺激时间阈值的大小；若累积诱导时长小于刺激时间阈值，则将诱导后的脑波参数作为当前人体生理参数，返回波形设计模块；否则，结束精神状态诱导。
[0119]
所述波形处理模块包括：
[0120]
数模转换单元，用于将组合电刺激波形转化为模拟电压信号；
[0121]
滤波单元，用于对模拟电压信号进行滤波操作，去除高频分量。
[0122]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。