一种自适应的经颅电刺激方法以及系统

本发明涉及经颅电刺激设备，尤其涉及一种自适应的经颅电刺激方法以及系统。

背景技术：

1、经颅电刺激主要包括经颅直流电刺激（tdcs）和经颅交流电刺激（tacs）。它是指从头皮给予脑区不同类型的电流刺激，对于感知、认知行为、运动功能障碍等有着非常显著的调控作用。传统的经颅电刺激输出单一且固定的电刺激，如直流、正弦波等。一旦确定输出参数后，无法做出改变。

2、随着对非侵入性脑刺激研究的不断深入，越来越多的研究发现经颅电刺激的效果是状态依赖的，即刺激调控效果（从非常有效到几乎没效）与使用者当前的大脑活动状态密切相关。而传统经颅电刺激输出的波形以及相关参数（频率、振幅、刺激时长等）是固定的，若使用者大脑活动发生改变，则电刺激不会随之变化，不具有自适应性。因此，对于完全相同的刺激范式,不同个体的调控效果可能存在巨大的差异。这限制了传统经颅电刺激的作用。

3、新型的经颅电刺激技术是采集个体的脑电或其他状态信号，提取信号的特征量，并根据一定条件改变刺激的参数、波形、靶点等，以施加特异性刺激。这种闭环的刺激形式，与使用者大脑状态息息相关，具有更优的适应性。但是，现有技术所产生的电刺激依旧是相对固定的，即仅能够改变部分参数、靶点或波形。并且，现有技术多针对某一类病症，所开发的设备不具有灵活性。因此,一种能够自适应产生波形、自适应选择靶点、可适应多种病症的自适应经颅电刺激是一种非常有潜力的技术。

4、现有公开的技术（经颅实时异步电刺激改善睡眠的装置 cn115212456b）采集使用者的脑电信号，并设置不同的刺激参数，如振幅、频率、相位等参数，但是仅能输出正弦波，无法产生更多波形，如直流、高级耦合波形。

5、现有公开的技术（基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置cn115487418a）利用使用者的额叶theta振荡和gamma振荡来改变输出刺激的靶点、强度、频率，以及耦合波形（波峰嵌套、波谷嵌套）。但是，刺激靶点仅限于f3、f4、p3、p4，不适用于国际标准的64导联，且其提供的耦合方式单一，无法提供大多数常见的耦合方式，如相位-振幅耦合pac、相位-相位耦合ppc、振幅-振幅耦合aac等。

6、现有公开的技术（基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置 cn115487418a）利用磁共振获取使用者大脑状态，然后选择靶点、电流来进行电刺激。该技术需要与磁共振联合使用，成本较高，操作复杂，且输出的电刺激不含频率、耦合波形等，适用范围有限。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种自适应的经颅电刺激方法以及系统，实现自适应的电刺激，且可以拓展脑电指标、修改正常人脑电数据，从而令系统适应于各种不同的病症。

2、本发明提出的一种自适应的经颅电刺激方法，包括如下步骤：

3、步骤一、获取异常靶点信息：采集被试脑电数据并预处理得到纯净的实时脑电数据，在时间域设定滑窗，将滑窗内所有靶点的实时脑电数据与正常人脑电数据均转换至频域，按频率分段，计算每一段的实时脑电指标和正常人脑电指标，将每一段的实时脑电指标中的功率与对应的正常人脑电指标中的功率做t检验，若显著性概率p<0.05则认为被试脑电存在异常，记录异常靶点、异常频率段数n和异常频率段；

4、步骤二、确定刺激靶点：遍历滑窗内所有靶点的异常频率段数n，将n≥1的靶点作为异常靶点，以异常靶点为中心查看相邻靶点，并记录相邻靶点为异常靶点的数量，遍历所有异常靶点，筛选出相邻异常靶点数量最多的异常靶点，取所筛选出的异常靶点对应的脑电振幅最大者作为刺激靶点；

5、步骤三、电刺激：基于滑窗内靶点的实时脑电指标、预先所储存的正常人脑电指标、异常靶点、异常频率段数n和异常频率段构建自适应的刺激波形，以刺激靶点作为电刺激的阳极，根据系统设置，以中心对称靶点或相邻靶点作为阴极，进行电刺激；

6、步骤四、循环步骤一至步骤三，结合实时更新的滑窗数据，切换刺激靶点，修改刺激波形及参数，实现自适应的电刺激，直至异常靶点消失。

7、进一步地，在步骤三中，根据系统设置，以中心对称靶点或相邻靶点作为阴极，具体为：

8、设定作为阴极的靶点个数，将刺激靶点作为阳极；

9、当阴极个数大于等于2时，以与刺激靶点相邻的靶点作为阴极；

10、当阴极个数等于1时，在大脑平面中，以大脑平面中点为中心，将刺激靶点中心对称后对应的靶点作为阴极。

11、进一步地，在步骤一中，计算每一段的实时脑电指标和正常人脑电指标，具体如下：

12、计算时域和频域的实时脑电指标，所述实时脑电指标包括常用频率的功率、平均振幅、功率占比、功率谱密度、相位、实时振幅；

13、计算网络连接指标，所述网络连接指标包括相位滞后指数、加权相位滞后指数、相位锁定值、加权相位锁定值。

14、进一步地，在步骤三中，基于滑窗内靶点的实时脑电指标、预先所储存的正常人脑电指标、异常靶点、异常频率段数n和异常频率段构建自适应的刺激波形，自适应的刺激波形的参数包括刺激波形振幅、刺激波形频率、以及刺激波形时长，具体为：

15、基于滑窗内实时脑电指标的平均振幅，得到刺激波形振幅；

16、当异常频率段数n等于1，且时，刺激波形以直流显示，并以刺激波形振幅作为直流电压，其中，表示异常频率段的平均振幅，表示正常人同频率段的平均振幅；

17、当异常频率段数n等于1，且时，刺激波形频率选择异常频率段中最大振幅所对应的频率，刺激波形以正弦波显示，频率选择异常频率段中最大振幅所对应的频率，振幅为刺激波形振幅；

18、当异常频率段数n大于等于2，选取刺激波形振幅最大的两个异常频率段作为耦合对象，按频率大小分为低频、高频，刺激波形以耦合波形显示。

19、进一步地，当异常频率段数n大于等于2，选取振幅最大的两个频率段作为耦合对象，按频率大小分为低频、高频，刺激波形以耦合波形显示，具体包括：

20、当异常频率段数n大于等于2，选取振幅最大的两个异常频率段作为耦合对象，按频率大小分为低频、高频，提取滑窗内所有低频相位和高频振幅，若高频振幅最大值对应的低频相位始终一致，则电刺激采用相位-幅度耦合apc；

21、当异常频率段数n大于等于2，同时电刺激不是相位-幅度耦合apc方式，选取振幅最大的两个异常频率段作为耦合对象，按频率大小分为低频、高频，提取滑窗内所有低频振幅和高频振幅，若高频振幅最大值对应低频振幅最大值，高频振幅最小值对应低频振幅最小值，则电刺激采用幅度-幅度耦合aac；

22、当异常频率段数n大于等于2，同时电刺激不是相位-幅度耦合apc以及幅度-幅度耦合acc方式，选取振幅最大的两个异常频率段作为耦合对象，按频率大小分为低频、高频，提取滑窗内所有低频相位和高频相位，取低频多个周期，每个周期内对应的高频周期是固定值，则电刺激采用相位-相位耦合ppc。

23、一种自适应的经颅电刺激系统，包括脑活动分析模块、靶点选择模块、刺激波形产生模块以及刺激产生装置；

24、脑活动分析模块用于获取异常靶点信息：获取被试脑电数据并预处理得到纯净实时脑电数据，在时间域设定滑窗，将滑窗内所有靶点的实时脑电数据与正常人脑电数据均转换至频域，按频率分段，计算每一段的实时脑电指标和正常人脑电指标，将每一段的实时脑电指标中的功率与对应的正常人脑电指标中的功率做t检验，若显著性概率p<0.05则认为被试脑电存在异常，记录异常靶点、异常频率段数n和异常频率段；

25、靶点选择模块用于确定刺激靶点：遍历滑窗内所有靶点的异常频率段数n，将n≥1的靶点作为异常靶点，以异常靶点为中心查看相邻靶点，并记录相邻靶点为异常靶点的数量，遍历所有异常靶点，筛选出相邻异常靶点数量最多的异常靶点，取所筛选出的异常靶点对应的脑电振幅最大者作为刺激靶点；

26、刺激波形产生模块用于电刺激：基于滑窗内靶点的实时脑电指标、预先所储存的正常人脑电指标、异常靶点、异常频率段数n和异常频率段构建自适应的刺激波形，以刺激靶点作为电刺激的阳极，根据系统设置，以中心对称靶点或相邻靶点作为阴极，进行电刺激；

27、刺激产生装置用于循环脑活动分析模块至刺激波形产生模块，结合实时更新的滑窗数据，切换刺激靶点，修改刺激波形及参数，实现自适应的电刺激，直至异常靶点消失。

28、进一步地，在刺激波形产生模块中，根据系统设置，以中心对称靶点或相邻靶点作为阴极，具体为：

29、设定作为阴极的靶点个数，将刺激靶点作为阳极；

30、当阴极个数大于等于2时，以与刺激靶点相邻的靶点作为阴极；

31、当阴极个数等于1时，在大脑平面中，以大脑平面中点为中心，将刺激靶点中心对称后对应的靶点作为阴极。

32、本发明提供的一种自适应的经颅电刺激方法以及系统的优点在于：（1）自适应的电刺激：可根据大脑活动状态，实时修改刺激的波形、频率、时长、振幅等参数；（2）自适应的刺激靶点：可根据大脑活动状态，实时自动选择合适的刺激靶点；（3）可产生耦合刺激波形：集成了pac、aac、ppc耦合波形算法，除了可以产生传统的直流、正弦波，还可以根据需要产生各种耦合波形；（4）可拓展适应症：可根据需要拓展脑电指标、修改正常人脑电数据，从而令系统适应于各种不同的病症。