一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统

本发明涉及经颅交流电刺激，尤其涉及一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统。

背景技术：

1、脑电信号并非单一频率，而是由多频率振荡成分复合而成。神经元产生多种频率的神经振荡，其相位、幅值与频率间相互作用，反演了认知功能与疾病病理机制。神经电节律的跨频率耦合称作交叉频率耦合(cross-frequency coupling，cfc)。cfc具有多种形式，其中低频相位与高频幅值之间的耦合为幅值相位-幅值耦合(phase amplitude coupling，pac)，pac中以theta相位和gamma幅值之间的耦合较为常见。theta-gamma模式的pac是内侧皮质区与其他脑区之间功能脑网络通信的重要指标，在不同工作任务时大脑皮层信息传递整合机制中有着很重要的作用。theta-gamma模式的pac指标与工作记忆、学习和抗疲劳等认知功能高度相关。

2、经颅电刺激是一种神经调控技术，它通过头皮电极向人脑施加低压恒定或交变电流，根据不同的电流形式可以分为：经颅直流电刺激(transcranial direct currentstimulation,tdcs)和经颅交流电刺激(transcranial alternating currentstimulation,tacs)。经颅交流刺激通过头皮电极向人脑施加正弦波交变电流，通过调节特定频率的脑振荡来影响大脑功能和认知过程，通常使用两个电极，一个作为正极，一个作为负极，电流在两个电极之间交替流动。传统的tacs的工作原理是通过与内源性的神经振荡相互作用，使其与外界施加的交变电流同步或解耦，通过调节脑节律的方式改善相关的认知功能。但是，传统的经颅交流电刺激只能调控单一频率的神经节律，不能调控神经节律的pac效应。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，包括：

4、交流电刺激电流源，用于产生固定频率的电流信号；

5、刺激采集一体化电极，与所述交流电刺激电流源连接，用于佩戴在头部，对目标头皮区域进行电刺激，以及采集目标头皮区域的电信号；

6、脑电采集前端，与所述刺激采集一体化电极连接，用于根据采集的电信号获取脑电数据；

7、dsp处理器，与脑电采集前端连接，用于根据脑电数据执行控制算法，并调整交流电刺激电流源的参数，以控制刺激采集一体化电极对大脑进行闭环调控；

8、其中，控制算法包括θ节律带通滤波、计算θ节律相位和调整γ节律幅值三部分。

9、进一步地，使用实时记录的θ节律脑电相位信号作为反馈量，控制经颅交流电刺激的幅值强度，以实现闭环pac刺激。

10、进一步地，所述根据脑电数据执行控制算法，包括：

11、对当前时刻之前预设时长的脑电数据进行θ节律的零相移带通滤波，获得干净的θ节律脑电信号；

12、采用希尔伯特变换算法计算θ节律脑电信号最后一个时刻点的相位信息；

13、根据计算获得的相位信息调节调整γ节律的幅值参数。

14、进一步地，γ节律正弦波电流源的幅值和θ节律脑电信号的相位的对应关系遵循以下关系：

15、γ节律幅值＝k·(cos(θ节律相位+α)+b)

16、式中，k表示幅值常数，α表示相移常数，b表示基线常数。

17、进一步地，采用带宽为4-7hz的滤波器进行θ节律的零相移带通滤波。

18、进一步地，所述dsp处理器每间隔预设时间执行一次控制算法。

19、进一步地，所述交流电刺激电流源产生的电流信号的频率为66.5hz。

20、进一步地，所述刺激采集一体化电极的结构设计为纽扣状，其中纽扣前端用于安装可拆卸的电极，该可拆卸的电极包括凝胶电极、ag/agcl电极或者海绵电极。

21、本发明的有益效果是：本发明基于实时脑电反馈技术，构建了一套闭环经颅交流电刺激技术，实现了皮层的相位-耦合调控，拓宽了经颅交流电刺激技术的在认知能力调控方面的应用范围。

技术特征：

1.一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，使用实时记录的θ节律脑电相位信号作为反馈量，控制经颅交流电刺激的幅值强度，以实现闭环pac刺激。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，所述根据脑电数据执行控制算法，包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，γ节律正弦波电流源的幅值和θ节律脑电信号的相位的对应关系遵循以下关系：

5.根据权利要求3所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，采用带宽为4-7hz的滤波器进行θ节律的零相移带通滤波。

6.根据权利要求1所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，所述dsp处理器每间隔预设时间执行一次控制算法。

7.根据权利要求1所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，所述交流电刺激电流源产生的电流信号的频率为66.5hz。

8.根据权利要求1所述的一种基于相位-幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，其特征在于，所述刺激采集一体化电极的结构设计为纽扣状，其中纽扣前端用于安装可拆卸的电极，该可拆卸的电极包括凝胶电极、ag/agcl电极或者海绵电极。

技术总结本发明公开了一种基于相位‑幅度耦合刺激的闭环经颅交流电刺激系统，包括：交流电刺激电流源，用于产生固定频率的电流信号；刺激采集一体化电极，与所述交流电刺激电流源连接，用于佩戴在头部，对目标头皮区域进行电刺激，以及采集目标头皮区域的电信号；脑电采集前端，与所述刺激采集一体化电极连接，用于根据采集的电信号获取脑电数据；DSP处理器，与脑电采集前端连接，用于根据脑电数据执行控制算法，并调整交流电刺激电流源的参数，以控制刺激采集一体化电极对大脑进行闭环调控。本发明基于实时脑电反馈技术，构建了一套闭环经颅交流电刺激技术，实现了皮层的相位‑耦合调控，拓宽了经颅交流电刺激技术的在认知能力调控方面的应用范围。技术研发人员：李小俚,丁兆环,关龙舟,陈贺,顾恒,邓信平受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23