可穿戴式脑功能调控系统的制作方法

本实用新型涉及脑电图检测及脑功能调控技术，具体地，涉及一种可穿戴式脑功能调控系统。

背景技术：

随着生活条件的改善，身体的亚健康状态也越来越引起关注，失眠、健忘、注意力不集中等脑功能相关的亚健康状态会影响正常的工作与生活，并且长期的亚健康状态会发展成为抑郁症、精神分裂症等脑功能缺陷及神经退行疾病。包括精神分裂症、老年痴呆症、癫痫、抑郁、孤独症等在内的脑功能缺陷及神经退行疾病严重影响人们的生活，并且随着社会老龄化的进程加速以及环境问题加剧等原因，这些患者的数量日益增长，以孤独症(Autism)为例，截止到2014年，数据显示，每68名儿童中就有1名自闭症谱系障碍，并且男孩(发病率：1/42)比女孩(发病率：1/189)发病率要高，男女比例为4：1到5：1之间，在中国，推测自闭症患者达到1000万，这给家庭、社会带来了极大的经济负担。

精神疾病或脑功能亚健康从本质上来讲是由于大脑神经环路的异常引起的。大脑是一个由成千亿个神经元组成的器官，这些神经元形成一个相互交织的神经网络，神经网络之间通过神经元的膜电位发放进行信息的传递与整合，因此，神经环路的异常也可以认为是大脑神经网络电活动的紊乱。为了对电活动紊乱的神经环路进行调控，科学家利用光遗传(Optogenetics)技术，将特定波长的光刺激事先表达过光敏感蛋白色神经元，可以使神经元的离子通道激活或关闭，从而调控神经环路的电活动，利用这种方法来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。

上述提到的光遗传技术虽然能够精准到单个细胞进行神经活动的调控，但需要事先表达病毒，并且需要植入光纤，这使得光遗传技术在人体上的应用受到了限制。目前，可以用于神经环路调控的技术包括自然刺激、药物干预、电、磁、力刺激等，本质上都是改变神经网络的电活动。在这之中，自然刺激最容易使患者接受，极少副作用，但效果甚微；药物干预使用最为广泛，但其影响神经环路的方式是间接的，并伴随副作用较大；电、磁、力刺激作用较为直接，尤其是通过外部非侵入式的施加刺激干预，能够减轻患者的痛苦。

目前，无创经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation,tDCS)结合神经影像学例如功能磁共振成像(fMRI)，正电子断层扫描成像(PET)，脑电图(EEG)，脑磁图(MEG)的发展，使得之前单纯的电刺激可以结合脑功能神经分析，tDCS也成为认知神经科学、脑科学研究，精神疾病治疗的主要手段之一。在临床上，将EEG 和tDCS结合，可用于改善睡眠质量，在实时监测用户EEG的同时，分析用户所处的睡眠阶段，当检测到用户处于深度睡眠状态时，利用tDCS刺激器施加微弱直流电刺激，使得θ和δ频带内的慢波脑电波增加，从而达到改善睡眠质量的效果。

临床上使用的方法和设备较为专业，但设备昂贵，且不便于携带，无法实现家用。随着技术的发展，出现了越来越多的可穿戴式便携的用于大脑EEG信号获取或神经环路的电刺激调控设备。例如：美国塞恩克的申请公布号为CN 105457158 A的中国专利中，涉及一种可佩带的经皮神经刺激器，设备轻便可穿戴，并且配置成佩戴在受试者的太阳穴上，且与电极组合结合安全舒适地适用于不同的头部尺寸。这些设备还可以配置成唯一的识别哪种电极耦合到了神经电刺激器，并且配置成传送可能含有电容性放电分量的合成波形以增强用户的舒适感。

HaloNeuro公司的申请公布号CN 105492067 A的实用新型专利中，介绍一种用于电刺激用户和/或检测来自用户的生物电信号的系统，该系统包括：渗透体阵列，电耦合溶液，壳体等。该系统主要解决了包括受试对象和系统的电极(多个)之间的不充分接触、在受试对象和系统的电极之间非常稳健地接触。

申请公开号为CN 102512159 B的中国专利，介绍了一种便携式无线脑电采集装置，包括与脑电采集模块输入端相连的多个用于脑电信号采集的头皮电极，头皮电极输出端与脑电信号提取模块相连，经脑电信号提取模块处理后的脑电信号输入脑电信号处理模块通过无线方式发送到脑电信号接收端。缩小了传统脑电采集系统前端电路的体积，因而具有良好的便携性，无线传输的方式解除了有线脑电采集系统对受测对象空间位置上的限制。

在上述提到的临床上的使用的专业脑电采集设备和tDCS刺激器中，虽然具有很好的使用效果，但由于医院在采购设备时考虑的是能否具有多功能，在多个科室，针对于多种诊断、治疗都能使用，而对于设备的体积，操作的复杂性，设备的成本考虑较少。因此，在家用环境中，只针对用户较为单一的使用场景中，这些专业的设备无法实现便携操作，并且成本难以负担。

美国塞恩克的申请公布号为CN 105457158 A的中国专利和HaloNeuro公司的申请公布号CN 105492067 A的实用新型专利中，虽然具有很好的便携性和使用舒适性，但只能实现单方面的神经电刺激，但无法获取大脑当前的活动状态。大脑的活动状态是瞬息万变的，只有知道当前的活动状态，才能针对性的调节刺激参数，予以最优刺激。

申请公开号为CN 102512159 B的中国专利中，缩小了传统脑电采集系统前端电路的体积，能够无线便携式的采集脑电信号，进而通过分析可以获取大脑当前的神经活动节律以及认知状态。但也只能实现单方面的信号读取，无法施加刺激调控。

技术实现要素：

本实用新型提供一种可穿戴式脑功能调控系统，以在进行电位变化信号采集的同时触发微弱的直流电刺激，针对特定大脑活动状态予以精准的调控。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种可穿戴式脑功能调控系统，该可穿戴式脑功能调控系统包括：多通道脑电记录电极，直流电刺激电极，数据采集与控制模块，无线通信模块、头部可穿戴支撑装置、云平台数据库及移动终端；所述脑电记录电极，直流电刺激电极，数据采集与控制模块及无线通信模块设置于所述头部可穿戴支撑装置上；

所述多通道脑电记录电极的多个电极分别分布于头皮的不同区域，用于从头皮采集电位变化信号；

所述直流电刺激电极用于对所述头皮进行刺激；

所述数据采集与控制模块连接所述多通道脑电记录电极及直流电刺激电极，一方面接收所述多通道脑电记录电极采集的电位变化信号，并通过所述无线通信模块输出至所述云平台数据库；另一方面通过所述无线通信模块接收所述移动终端发来的刺激指令，根据所述刺激指令向所述直流电刺激电极输出刺激电流；

所述云平台数据库用于存储所述电位变化信号及用户生理状态数据；

所述移动终端连接所述云平台数据库，用于存储及显示所述用户生理状态数据，并输出所述刺激指令。

一实施例中，所述数据采集与控制模块包括：

脑电图采集电路，接收所述多通道脑电记录电极传输的电位变化信号，对所述电位变化信号进行放大、滤波及模数转换后生成所述用户生理状态数据并输出；

微控制器，连接所述脑电图采集电路，接收所述用户生理状态数据并通过所述无线通信模块输出，并接收所述移动终端的刺激指令；

直流电刺激电路，连接所述微控制器，对所述刺激指令进行数模转换后产生刺激电流，并将所述刺激电流输出至所述直流电刺激电极。

一实施例中，所述脑电图采集电路包括：

信号放大电路，对所述电位变化信号进行放大处理；

模拟滤波电路，连接所述信号放大电路，对放大处理后的电位变化信号进行滤波处理；

模数转换器，连接所述模拟滤波电路，将滤波处理后的电位变化信号转换为数字信号并输出。

一实施例中，所述直流电刺激电路包括：

数模转换器，连接所述微控制器，用于将所述刺激指令转换为模拟信号；

微电流控制单元，连接所述数模转换器，用于根据所述模拟信号产生所述刺激电流；

脉冲输出单元，连接所述微电流控制单元，用于将所述刺激电流输出至所述直流电刺激电极。

一实施例中，所述头部可穿戴支撑装置包括：

环状支撑部，其内表面与用户的头部相贴合；

至少一凸起部，设置在所述环状支撑部上方，其内表面与所述头部的顶部相贴合；

电路板固定部，设置在所述环状支撑部的下方，用于承载所述数据采集与控制模块及无线通信模块。

一实施例中，所述多通道脑电记录电极的多个电极均匀设置于所述环状支撑部的内表面。

一实施例中，所述直流电刺激电极设置于其中一个凸起部的内表面。

一实施例中，所述直流电刺激电极包括一个阳极及四个阴极，所述四个阴极位于一个圆的圆周上，所述阳极位于所述圆的中心。

一实施例中，该可穿戴式脑功能调控系统还包括：参考电极，贴在用户耳垂位置，并连接所述信号放大电路，作为所述多通道脑电记录电极的参考。

一实施例中，该可穿戴式脑功能调控系统还包括：供电模块，设置在所述电路板固定部上，为所述数据采集与控制模块及无线通信模块供电。

本实用新型实施例的有益效果在于，利用本实用新型的可穿戴式脑功能调控系统，可以在进行电位变化信号采集的同时触发微弱的直流电刺激，针对特定大脑活动状态予以精准的调控。并且本实用新型的可穿戴式脑功能调控系统携带方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的可穿戴式脑功能调控系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的头部可穿戴支撑装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的多通道脑电记录电极有的按照位置示意图；

图4为本实用新型一实施例的数据采集与控制模块的结构示意图；

图5为本实用新型另一实施例的数据采集与控制模块的结构示意图；

图6A为本实用新型实施例的软件主界面示意图；

图6B为本实用新型实施例的系统设置示意图；

图6C为本实用新型实施例的EEG数据显示的界面示意图；

图6D为本实用新型实施例的电刺激参数设置界面示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例的可穿戴式脑功能调控系统的结构示意图，如图1所示，该可穿戴式脑功能调控系统包括：多通道脑电记录电极101，直流电刺激电极102，数据采集与控制模块103，无线通信模块104、头部可穿戴支撑装置106、云平台数据库107及移动终端108。

其中，脑电记录电极101，直流电刺激电极102，数据采集与控制模块103及无线通信模块104设置于头部可穿戴支撑装置106上。

多通道脑电记录电极101的多个电极分别分布于头皮的不同区域，用于从头皮采集电位变化信号；

直流电刺激电极102用于对头皮进行刺激，直流电刺激电极102的材料可以是 Ag、AgCl、不锈钢、金等材料的一种。

数据采集与控制模块103连接多通道脑电记录电极及直流电刺激电极，一方面接收多通道脑电记录电极101采集的电位变化信号，根据电位变化信号生成用户生理状态数据，并通过无线通信模块104输出至云平台数据库107；另一方面通过无线通信模块105接收移动终端108通过云平台数据库107发来的刺激指令，根据刺激指令向直流电刺激电极102输出刺激电流，以在采集电位变化信号的同时触发直流电刺激。

一实施例中，无线通信模块104包括低功耗蓝牙通信模块及Wi-Fi通信模块。一实施例中，蓝牙通信采用TI公司的CC2540低功耗蓝牙系统单晶片，基于蓝牙4.0 核心规范，采用2.4GHz的短距离无线通信技术，广泛支持IOS、Android等移动设备，并且具有很低的功耗，实现一次充电能够使用较长时间。Wi-Fi通信中，采用TI CC3200低功耗Wi-Fi通信芯片，支持WEP WPA/WPA2安全加密模式，通过板载天线，经由路由器将数据发送至云云平台数据库。

云平台数据库107通过无线通信模块105连接至数据采集与控制模块103，用于存储电位变化信号及用户生理状态数据，供医院、科研机构等通过互联网形式的访问使用。

移动终端108连接云平台数据库107，用于存储及显示用户生理状态数据，并输出刺激指令。移动终端108可以为手机、平板电脑等移动设备。

头部可穿戴支撑装置106的结构如图2所示，包括：环状支撑部201，凸起部207 及电路板固定部206。

一实施例中，头部可穿戴支撑装置106由TPE-X材料制成，这种材料具有舒适的触感，柔软的硬度。头部可穿戴支撑装置106能够使将多通道脑电记录电极101 (EEG电极)紧贴于头皮的表面，又不至于有太强的压迫感。

如图2所示，环状支撑部201根据用户头部轮廓设计，环状支撑部201的内表面与用户的头部相贴合。多通道脑电记录电极的其中一部分电极均匀设置于所述环状支撑部的内表面，如图2中的203位置。多通道脑电记录电极的电极材料可以是Ag、 AgCl、不锈钢、金等材料的一种，可以直接连接头皮的干接触点，不需要在头皮上涂抹导电胶。

凸起部207设置在所述环状支撑部上方，其内表面与所述头部的顶部相贴合。多通道脑电记录电极的剩余部分电极可以设置在凸起部207的内表面。直流电刺激电极设置于其中一个凸起部的内表面，直流电刺激电极包括一个阳极及四个阴极，其中，四个阴极位于一个圆的圆周上，阳极位于所述圆的中心，如图2的中204标示的位置所示。

一实施例中，多通道脑电记录电极有16个，根据国际标准的10-20导联法，分布在头皮的位置，如图3所示。

电路板固定部206设置在环状支撑部的下方，被头部可穿戴支撑装置106的外壳包裹于其中，从而电路板固定部206不暴露在外，用于承载数据采集与控制模块103 及无线通信模块104。

一实施例中，本实用新型实施例的可穿戴式脑功能调控系统还包括：供电模块105，设置在电路板固定部上，可以为数据采集与控制模块103及无线通信模块104供电。供电模块105可以是可充电电池或射频供电装置，可充电电池为锂离子电池或锂聚合物电池，头部可穿戴支撑装置作为通过在生物体内的线圈进行感应来产生电能中的一种，可以为整个头戴装置提供3.3V的直流电压。

一实施例中，本实用新型实施例的可穿戴式脑功能调控系统还包括：参考电极，贴在用户耳垂位置，并连接信号放大电路，作为所述多通道脑电记录电极的参考。

一实施例中，如图4所示，数据采集与控制模块103包括：脑电图采集电路、微控制器及直流电刺激电路。

脑电图采集电路可以接收多通道脑电记录电极传输的电位变化信号，对电位变化信号进行放大、滤波及模数转换后得到所述用户生理状态数据并输出至微控制器；

微控制器连接脑电图采集电路，接收成用户生理状态数据并通过无线通信模块输出至云平台数据库107及移动终端108，并接收移动终端108的刺激指令。

直流电刺激电路连接微控制器，对刺激指令进行数模转换后产生刺激电流，并将所述刺激电流输出至直流电刺激电极。

具体实施时，如图5所示，图4所示的脑电图采集电路包括：信号放大电路、模拟滤波电路及模数转换器。

信号放大电路，连接多通道脑电记录电极101的多个电极，对各个电极的电位变化信号进行放大处理；

模拟滤波电路，连接所述信号放大电路，对放大处理后的电位变化信号进行滤波处理，滤除其中的干扰信号。

模数转换器，连接所述模拟滤波电路，将滤波处理后的电位变化信号转换为数字信号并输出。

图4所示的直流电刺激电路包括：数模转换器，微电流控制单元及脉冲输出单元。

数模转换器连接微控制器，用于将所述刺激指令转换为模拟信号；微电流控制单元连接所述数模转换器，用于根据所述模拟信号产生所述刺激电流；脉冲输出单元，连接所述微电流控制单元，用于将刺激电流输出至所述直流电刺激电极。

微控制器作为输入输出的处理中介，采用STM32F103型号的MCU，控制着整个头戴装置上的各个模块。一实施例中，数据采集与控制模块103的主要技术参数为：采样率1000Hz，通道数16通道，输入范围±15mV。

本实用新型具体实施时，云平台数据库107利用MySQL建立，作为存储在第三方的云平台供应商，例如Amazon阿里云等。云平台数据库107中将采集的原始信号以及分析过的用户生理状态数据存储起来，可以方便用户在接入互联网的情况下访问自己的数据，同时在经用户许可的情况下，通过API开放给其他用户或机构使用。

108移动终端软件，包括手机、平板电脑上运行的具有数据记录、可视化显示、分析、存储等功能的软件，运行的平台可以是IOS、Android、WindowsPhone等移动操作平台。图6A至图6D为移动终端软件的4个主要设计图，图6A为本实用新型实施例的软件主界面示意图，图6B为本实用新型实施例的系统设置示意图，图6C 为本实用新型实施例的EEG数据显示的界面示意图，图6D为本实用新型实施例的电刺激参数设置界面示意图。其中，图6A中，用户主要有三种操控选择：进入图6C 的EEG数据查看界面，进入图6D的电刺激参数设置界面以及图6B的系统设置界面。在图6B的系统设置界面中，包括蓝牙状态开关，设备名称、数据保存开关、用户登录状态按钮。在图6C第EEG数据查看界面中，可以同时查看多个通道的EEG时域信号变化，也可以查看经过频域变换的各个频带当前的分布状态，这些频带包括δ (1-3Hz，睡眠状态)、θ(4-7Hz，放松、思考等状态)、Lowα(8-9Hz，闭眼、放松)、 Highα(10-12Hz)、β(13-30Hz)、γ(31-50Hz)等。在图6D的电刺激参数设置界面中，可以通过拖动条调节电路强度、刺激时间、刺激频率等参数。

利用本实用新型的可穿戴式脑功能调控系统，可以在进行电位变化信号采集的同时触发微弱的直流电刺激，针对特定大脑活动状态予以精准的调控。并且本实用新型的可穿戴式脑功能调控系统携带方便。

本领域内的技术人员应明白，本实用新型的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本实用新型可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本实用新型可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本实用新型是参照根据本实用新型实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。