生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统的制作方法

本发明涉及生物脑电信号技术领域，具体涉及一种生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统。

背景技术

意识障碍是严重脑损伤后常见的临床症状，分为脑死亡、昏迷、植物状态、微意识状态、闭锁综合征(实为清醒，但列在此系列研究)。我国每年新增意识障碍患者约10万例，每年需花费高达10-50万元的治疗和护理费用，如此庞大的患者数量和巨额费用给家庭和社会带来了巨大负担。

目前临床上主要依靠各种评分量表及医师经验对意识障碍的程度及预后进行评价，不仅具有很强的主观性和滞后性，更无法捕捉早期意识的恢复，误诊率最高达43％。因此，客观地评测意识障碍患者有无意识，并确定有效康复方案，仍是医学亟待解决的重大难题。

研究已证实可通过脑电图(eeg)、正电子发射计算机断层显像技术(pet)和功能磁共振成像技术(fmri)等手段探测意识障碍者大脑活动，但现有范式不具有个性化，难以涉及意识障碍者独特的意识经验内容，在意识评估和唤醒方面效果有限。

已有研究证实唤名、情感图片等能引起意识障碍者部分脑区被特定性激活，且多通道刺激比单通道刺激能引起意识障碍者更多的行为应答，但所见报道所用刺激均为标准范式，无法触及意识障碍者差异化的深层意识内容。近几年，生物反馈治疗仪作为一种新的设备被应用在众多疾病领域，取得了积极的治疗效果，对本发明的开展起到积极借鉴作用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统，实现个性化视听刺激和经颅直流电刺激的自适应调节，形成了有效的康复方案，有利于提高检测效率，降低成本。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统，所述的系统包括个性化视听刺激装置、意识障碍评估模块和经颅直流电刺激装置，所述的意识障碍评估模块包括脑电采集器、集成模拟前端、主控单元、蓝牙单元、电源管理单元，其中，所述的脑电采集器通过电极和usb接口与集成模拟前端相连，所述的集成模拟前端通过spi与主控单元相连，所述的主控单元通过uart与所述的蓝牙单元相连，所述的蓝牙单元与所述的个性化视听刺激装置通过蓝牙无线信息交互，并通过蓝牙单元将主控单元的脑电数据传输到个性化视听刺激装置来控制不同的个性化视听刺激方案，

所述的经颅直流电刺激装置与所述的主控单元连接，根据主控单元的脑电特征值调节个性化视听刺激素材和经颅直流电刺激的刺激类型、输出直流电强度，其中，所述的经颅直流电刺激的刺激类型包括直流刺激、脉冲刺激、正弦刺激和伪刺激。

进一步地，所述的个性化试听刺激方案基于心理学原理设计，通过搜集和筛选意识障碍者相关的记忆信息，选用最佳的光、声、影的组合方式以及呈现时间，其中，记忆信息包括意识障碍者最喜欢的、记忆最深刻的人、物、事。

进一步地，所述的意识障碍评估模块还包括电源管理单元，所述的电源管理单元为集成模拟前端、主控单元、经颅直流电刺激装置供电。

进一步地，所述的脑电采集器包括帽子、单极脑电传感器、参考电极，其中，所述的单极脑电传感器设置在帽子的内侧，并与佩戴者的额头皮肤接触；所述的参考电极与帽子的下沿相连，并夹在佩戴者的耳垂处；所述的参考电极为脑电贴片电极；

所述的单极脑电传感器和参考电极分别与集成模拟前端连接。

进一步地，所述的集成模拟前端选用ti公司的ads1299芯片，包括依次连接的多路复用器、检测组件、滤波器、低噪声增益放大器、高分辨率模数转换器、偏置驱动放大器、振荡器以及串行外设接口spi，

所述的集成模拟前端对采集到的脑电信号进行放大、滤波和模数转换之后由串行外设接口spi传输到主控单元。

进一步地，所述的经颅直流电刺激装置包括数模转换模块、恒流源模块以及表面电极，该经颅直流电刺激装置根据主控单元的脑电特征值输出直流刺激、脉冲刺激、正弦刺激和伪刺激，输出的刺激信号经过数模转换模块进行数模转换后经恒流源模块，将适宜的电流输出至表面电极，并作用于意识障碍者靶区域。

进一步地，所述的经颅直流电刺激装置还包括用于限制电路瞬时电流的过流保护电路，所述的过流保护电路包括npn型三极管t1、采样电阻r1、上拉电阻r2、fpga和电容c1，其中，npn型三极管t1的一n极分别与上拉电阻r2以及fpga相连，npn型三极管t1的另一n极接地，npn型三极管t1的p极分别与采样电阻r1以及电容c1相连后接地；保护信号为过流保护电路的输入信号，输入采样电阻r1以及电容c1的一端；

当保护信号电流过大时，电容c1缓慢充电，采样电阻r1产生高分压，npn型三极管t1被导通，经上拉电阻r2，fpga输出高电平，控制刺激波形的输出，以此达到限流的作用。

进一步地，所述的主控单元进行脑电信号处理，首先采用小波包变换消除低频噪声干扰，然后基于最大信噪比的盲源分离算法，用于脑电信号的伪迹滤波处理；其次运用非线性动力学分析方法，将实时的脑电信号经计算得到包括动态的lempel-ziv复杂度、c0复杂度和熵在内的脑电信号特征值，将上述脑电特征值经聚类分析算法处理后，最后利用支持向量机进行分类识别，对应得到不同的控制指令。

进一步地，所述的蓝牙单元采用ti仪器ble-cc2640r2f芯片。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)意识障碍综合评估系统综合了神经电生理检测技术(eeg/erp)、功能磁共振成像技术(fmri)和正电子发射计算机断层显像技术(pet)，并结合临床行为学量表，建立针对意识障碍者的多模态综合数据库，为意识障碍者的意识评估提供更全面、客观的信息支持。

(2)个性化视听刺激装置考虑到以往标准化的刺激方案难以触及意识障碍者差异化的意识经验内容，本发明提出制定基于心理学原理设计的个性化视听刺激装置。在意识评估方面，该方案可作为刺激手段，使意识障碍者在更接近自己真实意识的状态下完成各项生理学检测，降低误诊率；在意识唤醒和康复方面，个性化视听刺激装置具有丰富、多感觉通道、接近现实情景等特点，更利于引起意识障碍患者较强的行为反应，有望成为一种合理有效的新型康复方案。

(3)本发明主控单元内集成的运用非线性动力学分析方法计算的四种脑电特征算法值能基本反映出正常人脑电信号和意识障碍患者脑电信号的非线性特征参数差异，由于脑电信号是通过仪器直接测量，后期的信号处理是通过非线性分析的各类精准算法计算及分析得出，该方法和经验、量表相比，更加客观化和定量化，特别是与临床常用的脑电图分析相比，具有一定的优势，能够更加精确直观的反映大脑的意识程度，为后续意识障碍的治疗提供了更加准确可靠的指标。

附图说明

图1是本发明实施例的基于生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统的结构框图；

图2是本发明实施例的基于生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统中脑电采集器和集成模拟前端的结构功能图；

图3是本发明实施例用于检测及其康复唤醒中个性化视听刺激装置中刺激方案制定图；

图4是本发明实施例用于康复唤醒的经颅刺激方案图；

图5是本发明实施例经颅直流电刺激装置中的保护电路图；

图6是本发明实施例采用的蓝牙单元的结构及其功能原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种基于生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统，包括个性化视听刺激装置、意识障碍评估模块和经颅直流电刺激装置，意识障碍评估模块包括脑电采集器、集成模拟前端、主控单元、蓝牙单元、电源管理单元。脑电采集器通过电极和usb(universalserialbus，通用串行总线)接口与集成模拟前端相连，集成模拟前端通过spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)与主控单元相连，主控单元通过uart(universalasynchronousreceiver/transmitter，通用异步收发传输器)与蓝牙单元相连，蓝牙单元与个性化视听刺激装置进行蓝牙无线信息交互，电源管理单元为集成模拟前端、主控单元、经颅直流电刺激装置供电。

其中，本实施例所述的脑电采集器包括帽子、单极脑电传感器、参考电极；

所述的单极脑电传感器设置在帽子的内侧，并与佩戴者的额头皮肤接触；所述的参考电极与帽子的下沿相连，并夹在佩戴者的耳垂处；

所述的单极脑电传感器和参考电极分别与集成模拟前端连接。

具体在本实施例中，所述的集成模拟前端选用ti公司的ads1299芯片，该集成模拟前端多达8个低噪声可编程增益放大器(pga)和8个高分辨率同步采样模数转换器(adc)，含有内部基准以及板载振荡器，对采集到的脑电信号进行放大、滤波和模数转换。如图2包括多路复用器、检测组件、滤波器、低噪声增益放大器、高分辨率模数转换器、偏置驱动放大器、振荡器以及串行外设接口spi。

所述的参考电极为脑电贴片电极，采集的脑电信号经过多路复用器、滤波器、放大器及模数转换之后，由spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)接口传输给主控单元。

具体在本实施例中，所述的主控单元选用ti(texasinstruments，德州仪器)公司的msp430fr5739微控制器，用于对集成模拟前端处理的脑电信号进行接收、处理和存储，并将脑电信号传输到蓝牙单元和个性化视听刺激装置。

如图3所示，本实施例所述的个性化视听刺激装置中个性化试听刺激方案基于心理学原理设计。具体制定方法：从人本位的角度出发，结合心理学专业知识，搜集和筛选意识障碍者相关的具有特殊意义、强烈情感或重大事件的记忆信息，包括意识障碍者最喜欢的、记忆最深刻的人、物、事等；选用最佳的材料制作手段(光、声、影的组合方式)和呈现时间。

如图4所示，本实施例所述的经颅直流电刺激装置，根据脑电特征值可输出直流刺激、脉冲刺激、正弦刺激和伪刺激，输出的刺激信号经过数模转换模块进行数模转换后经恒流源模块，将适宜的电流输出至表面电极，并作用于意识障碍者靶区域。经颅直流电刺激装置的刺激类型、输出直流电强度随主控单元的控制指令的改变做动态调整，输出最贴合当下意识状态的经颅直流电刺激。

如图5所示，本实施例所述的经颅直流电刺激装置由于作用于人体部位，为了保证工作的状态，限制电路的瞬时电流，必须附加过流保护电路，以提高整个系统的稳定性和安全性。

所述的过流保护电路包括npn型三极管t1、采样电阻r1、上拉电阻r2、fpga和电容c1，其中，npn型三极管t1的一n极分别与上拉电阻r2以及fpga相连，npn型三极管t1的另一n极接地，npn型三极管t1的p极分别与采样电阻r1以及电容c1相连后接地；保护信号为过流保护电路的输入信号，输入采样电阻r1以及电容c1的一端。

由于小容量型电流并不大，可利用电阻r1进行电流采样，再利用电容c1和npn型三极管t1的结合，消除电流尖峰。具体检测过程，当保护信号电流过大时，电容c1缓慢充电，采样电阻r1产生很高的分压，npn型三极管t1被导通，经上拉电阻r2，fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)输出高电平，控制刺激波形的输出，以此达到限流的作用。

具体在本实施例中，所述的蓝牙单元采用cc2640r2f芯片，可适用于4.2和bluetooth5低功耗应用，如图6所示，包括主控制模块、射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器控制模块。主控制模块包含一个32位内核，系统核心(cm3)设计用于从链路层运行蓝牙低功耗协议栈直至用户应用程序。与其他蓝牙设备相比，射频核心模块的cortexm0(cm0)内核负责连接无线电硬件，并将来自cortexm3(cm3)内核的复杂指令转换为通过无线电在空中发送的比特。传感器控制模块是区别与其他blesoc芯片的一个特有部分，它是一个16位的单片机，独立于主控单元的m3和射频盒的m0工作，可以在系统其他部分都关掉的情况下独立实现对外部传感器的数据采集，从而保持整个系统运行的低功耗，此架构可改善整体系统性能和功耗，并释放大量闪存以供应用，从而提供了更大的灵活性。外设接口则包含了gpio(generalpurposeinputoutput，通用输入/输出)、定时器、uart(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)/spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)、i2c、i2s接口以及硬件aes(advancedencryptionstandard，高级加密标准)加密等功能接口。

具体在本实施例中，所述的个性化视听刺激装置可以接收意识障碍者的脑电信号，并结合临床行为学量表，建立针对意识障碍患者的多模态综合数据库，为意识障碍患者的意识评估提供更全面、客观的信息支持。

实施例二

本实施例公开了一种基于生物反馈式意识障碍检测及唤醒系统，包括个性化视听刺激装置、意识障碍评估模块和经颅直流电刺激装置，该个性化视听刺激装置同时提供诊断刺激和意识唤醒方案；该意识障碍评估模块包括脑电采集器、集成模拟前端、主控单元、蓝牙单元、电源管理单元；该脑电采集器包括帽子、单导脑电传感器和参考电极，单导脑电传感器置于帽子内侧，与额头接触，参考电极与帽子的下沿连接，夹在佩戴者耳垂处；脑电采集器与集成模拟前端相连，集成模拟前端通过spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)与主控单元相连；主控单元通过脑电信号特征值控制不同的经颅直流电刺激装置和个性化视听刺激装置，并通过蓝牙单元将脑电数据传输到个性化视听刺激装置；经颅直流电刺激装置根据不同脑电信号特征值输出不同的刺激类型、输出直流电强度；电源管理单元为集成模拟前端、主控单元、经颅直流电刺激装置供电。

具体在本实施例中，所述的个性化视听刺激装置的个性化视听刺激方案基于心理学原理设计，包括意识评估、意识唤醒与康复两个方面。在意识评估方面，个性化视听刺激装置可作为诊断刺激，使意识障碍者在更接近自己真实意识状态下完成各项生理学检测，降低误诊率；在意识唤醒和康复方面，个性化视听刺激装置根据脑电特征值动态调节个性化视听刺激素材的组合方式和呈现时间，具有丰富、多感觉通道、接近现实情景等特点，更有利于引起意识障碍患者较强的行为反应，能够成为一种合理有效的新型康复治疗方案。

具体在本实施例中，所述的脑电采集器采用了32导联的脑电采集方案，根据认知任务的不同、病例的要求，采用32多导联方式同时记录各个脑区的同步放电活动，从而分析各个脑电信号之间的关系与特征；该系统包括帽子、单极脑电传感器、参考电极。

具体在本实施例中，所述的单极脑电传感器设置在帽子的内侧，并与佩戴者的额头皮肤接触；所述参考电极与帽子的下沿相连，并夹在佩戴者的耳垂处；

具体在本实施例中，所述的单极脑电传感器和参考电极分别与集成模拟前端连接，所述的集成模拟前端、主控单元和蓝牙单元依次连接。

具体在本实施例中，所述的集成模拟前端采用ti公司的ads1299芯片，该集成模拟前端多达8个低噪声可编程增益放大器(pga)和8个高分辨率同步采样模数转换器(adc)，含有内部基准以及板载振荡器，对采集到的脑电信号进行放大、滤波和模数转换。

具体在本实施例中，所述的脑电模拟前端包括多路复用器、滤波器、低噪声增益放大器、高分辨率模数转换器、偏置驱动放大器、振荡器以及串行外设接口spi，所述脑电贴片电极采集的脑电信号经过多路复用器、滤波器、放大器及模数转换之后，由spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)接口传输给主控单元。

具体在本实施例中，所述的主控单元采用msp430fr5969处理器，用于对集成模拟前端处理的脑电信号进行接收、处理和存储，并将脑电信号传输到蓝牙和显示器。

具体在本实施例中，所述的主控单元进行脑电信号处理，首先采用小波包变换消除低频噪声干扰，然后基于最大信噪比的盲源分离算法，用于脑电信号的伪迹滤波处理，为下一步脑电信号特征提取和模式识别提供保障；其次运用非线性动力学分析方法，将实时的脑电信号经计算得到动态的lempel-ziv复杂度、c0复杂度和熵等脑电信号特征值，这些脑电特征值经聚类分析算法处理后，最后利用支持向量机进行分类识别，被对应到不同的控制指令。

具体在本实施例中，所述的蓝牙单元采用ti仪器ble-cc2640r2f芯片，用于接收主控单元传输的脑电信号，并将该脑电信号发送到个性化视听刺激装置。

其中，蓝牙cc2640r2f芯片可适用于4.2和bluetooth5低功耗应用，是一款无线微控制器，并且具有丰富的外设功能集，集成温度传感器、持续时间比较器、超低功耗模拟比较器等，其中包括一个独特的超低功耗传感器控制器，此传感器适合连接外部传感器，而且能够在系统其余部分处于睡眠模式的情况下自主收集模拟和数字数据，所以能够实时传输病人的脑电数据，同时若外接脑电采集器没有进行信号采集，则蓝牙自动进入睡眠状态。因此，cc2640r2f器件作为数据传输模块，具有电池使用寿命长、功耗低、体积小等优点。

具体在本实施例中，意识障碍者的意识评估功能基于神经电生理检测技术(eeg/erp)、功能磁共振成像技术(fmri)、正电子发射计算机断层显像技术(pet)和临床行为学量表多模态综合数据库。

具体在本实施例中，所述的经颅直流电刺激装置，采用fpga芯片(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)，根据实时脑电特征值调节个性化视听刺激素材和经颅直流电刺激的刺激类型、输出直流电强度，实现意识障碍治疗方案的自适应调节。

实施例三

本实施例公开了一种基于生物反馈式意识障碍检测、唤醒系统的工作方法，包括：

步骤一、个性化视听刺激装置对意识障碍者进行意识刺激；

步骤二、集成模拟前端连接脑电采集器采集意识障碍者脑电信号；

步骤三、上述信号经过主控单元进行接收、处理得到脑电特征值进行存储；

步骤四、将上述步骤中的脑电特征值，通过蓝牙单元无线传送到个性化视听刺激装置；

步骤五、将上述步骤中的脑电特征值结合个性化视听刺激装置中的多模态综合数据库，全面评估意识障碍者的意识状态；

步骤六、根据上述步骤中的实时评估结果，动态调节个性化视听刺激素材的组合方式、呈现时间和经颅直流电刺激的刺激类型、输出直流电强度，自适应调节意识障碍者的唤醒方案。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。