经颅刺激方法和装置与流程

本申请涉及生物医学领域，尤其涉及一种经颅刺激方法和装置。

背景技术：

利用无创的经颅刺激技术来研究大脑工作机制以及改善脑功能是近些年脑科学研究的热点问题。经颅电刺激(transcranialelectricalstimulation，tes)和经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation,tms)就是两种典型的经颅刺激技术。对健康成年人研究表明，无创的经颅刺激技术能够提高用户在多种任务下的认知能力，如增强用户在语言能力、数学能力、注意力、记忆力、协调能力和解决问题等方面的能力。

tms所需要的设备比较昂贵，体积也偏大，不适合便携和广泛推广使用。相比之下，tes所需要的设备相对便宜和轻便，可以做成适合家庭使用的便携设备。tes通过电极将低强度的电流作用于特定脑区，达到调节大脑皮层神经活动的目的。tes这项技术包括多种刺激方式，根据不同的电流形式分为：经颅直流电刺激(transcranialdirectcurrentstimulation,tdcs)、经颅交流刺激(transcranialalternatingcurrentstimulation,tacs)、经颅随机噪声刺激(transcranialrandomnoisestimulation,trns)。

由于目前存在的经颅电刺激所利用的电流均为普通的直流电或交流电，与大脑的工作机制关系不大，因此，现有的经颅电刺激对大脑的刺激效果小。

技术实现要素：

本申请提供一种经颅刺激方法和装置，可提高对大脑的刺激效果。

本申请第一方面提供一种经颅刺激方法，包括：

获取第一频率和第二频率，其中，所述第一频率和所述第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关，且所述第一频率低于所述第二频率；

基于所述第一频率和所述第二频率，确定刺激信号序列，其中，所述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，且，在所述刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为所述第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为所述第一频率；

基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号。

本申请第二方面提供一种经颅刺激装置，包括：

获取单元，用于获取第一频率和第二频率，其中，所述第一频率和所述第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关，且所述第一频率低于所述第二频率；

确定单元，用于基于所述第一频率和所述第二频率，确定刺激信号序列，其中，所述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，且，在所述刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为所述第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为所述第一频率；

输出单元，用于基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号。

本申请第三方面提供一种经颅刺激装置，包括：微处理器、刺激信号发生器以及刺激信号输出极；

所述微处理器用于：获取第一频率和第二频率，其中，所述第一频率和所述第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关，且所述第一频率低于所述第二频率；基于所述第一频率和所述第二频率，确定刺激信号序列，其中，所述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，且，在所述刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为所述第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为所述第一频率；基于所述刺激信号序列控制所述刺激信号发生器产生相应的刺激信号并通过所述刺激信号输出极输出所述刺激信号。

本申请第四方面提供一种经颅刺激装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述本申请第一方面提供的经颅刺激方法。

本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述本申请第一方面提供的经颅刺激方法。

经发明人研究发现，大脑产生的脑电波中通常存在高低频振荡的耦合现象，故本申请通过获取与第一频率和第二频率，并基于该第一频率和第二频率确定刺激信号序列。由于在刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为第一频率，并且，第一频率和第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关且存在高低之分，因此，上述刺激信号序列所表征的刺激信号存在高低频振荡的耦合现象，也即，上述刺激信号序列与待测脑区的工作机制有较高的相关性，这使得基于该刺激信号序列向待刺激脑区输出的刺激信号能够更好地刺激待刺激脑区。可见，相对于传统的经颅电刺激方法，本申请能够有效提高对大脑的刺激效果。

附图说明

图1-a为本申请提供的经颅刺激方法一个实施例流程示意图；

图1-b为本申请提供的一种对脑电中的低频段和高频段滤波后的脑电示意图；

图1-c为本申请提供的一种基于红外序列公式所确定的刺激信号序列表征的刺激信号示意图；

图1-d为本申请提供的一种lh-acs的刺激信号示意图；

图1-e为本申请提供的一种ilh-acs的刺激信号示意图；

图1-f为本申请提供的一种clh-acs的刺激信号示意图；

图2为本申请提供的lh-acs的一种应用场景示意图；

图3为本申请提供的经颅刺激装置一个实施例结构示意图；

图4为本申请提供的经颅刺激装置另一个实施例结构示意图；

图5为本申请提供的经颅刺激装置再一个实施例结构示意图。

具体实施方式

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

如图1-a所示，本申请实施例中一种经颅刺激方法包括：

步骤101、获取第一频率和第二频率；

其中，上述第一频率和上述第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关，且上述第一频率低于上述第二频率。

经过本申请发明人研究发现，脑电波是由不同种类的不同放电频率的神经元相互作用产生的，而产生的脑电波中通常存在高低频振荡的耦合现象。通常脑电波在功率密度谱(powerspectraldensity，psd)1-100hz上呈现下降趋势，但是在其耦合的两个频段往往会有连个波峰。这种高低频振荡的耦合现象的具体形式是：分别对低频段和高频段滤波后，发现低频信号在波峰时高频信号的幅值会变小，而低频信号在波谷时高频信号的幅值会变大，如图1-b所示。在图1-b中，areaa、areab和areac分别表示不同的脑区，peiodi和peiodii表示不同的时段。

利用这种脑电波的特性，在第一种应用场景中，可以由相关人员通过分析用户待刺激脑区的脑电特性，从中确定出上述第一频率和上述第二频率并输入，使得步骤101可获取到上述第一频率和上述第二频率。

或者，在另一种应用场景中，发明人研究发现，大脑的内生振荡通常存在theta频段和gamma频段，其中，theta频率的频率范围为4-8赫兹(即hz)，gamma频段的频率范围为30-100hz。因此，步骤101具体可以表现为：从第一频率范围中选取一频率作为上述第一频率，并从第二频率范围中选取一频率作为第二频率，其中，上述第一频率为1hz至40hz，上述第二频率为10hz至150hz。具体的，也可以直接从theta频段中选取一频率作为上述第一频率，并从gamma频段中选取一频率作为上述第二频率。需要说明的是，由于上述第一频率范围和上述第二频率范围存在交集，因此，在选取上述第一频率和上述第二频率时，应满足上述第一频率低于上述第二频率的约束。

步骤102、基于上述第一频率和上述第二频率，确定刺激信号序列；

其中，上述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，且，在上述刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为上述第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为上述第一频率；

在获取上述第一频率和上述第二频率之后，可基于上述第一频率和上述第二频率，确定刺激信号序列。

在一种应用场景下，上述刺激信号为电流信号，也即，本申请中的经颅刺激方法为经颅电刺激方法。则在步骤102中，可以设定电流序列公式，将步骤101获取到的第一频率和第二频率输入上述电流序列公式，得到刺激信号序列。

在上述应用场景的基础上，可选的，上述电流序列公式为：在上述电流序列公式中，it表示在时间点t输出的电流信号的大小，f1表示上述第一频率，f2表示上述第二频率，imax表示电流信号的最大幅值。在特定场景下，若f1取上述第一频率范围中的一频率，而f2取上述第二频率范围中的一频率，则本申请实施例中的经颅刺激方法可以描述为基于大脑内生振荡的低频段调幅的经颅交流电刺激(lowhigh-alternatingcurrentstimulation，lh-acs)，上述电流序列公式即为lh-acs的电流序列公式。当然，基于本申请的思想，上述电流序列公式也可以为其它表现形式，例如也可以为：(该公式中的各个参数与前述电流序列公式的含义一致)，此处不做限定。

进一步，为了使得lh-acs达到更好的刺激效果，在步骤103之前，还可以对应用lh-acs的装置(即经颅刺激装置)的阻抗进行检测。由于通常经颅电刺激使用2毫安电流，当阻值为10千欧时，对应20伏电压，而人体电压为36伏，20伏已经超过一半。为了安全，经颅电刺激装置会设定最大电压不能超过20-30伏，这样当阻值过大的时候，就达不到经颅电刺激需要的电流。在此基础上，可以设定10千欧作为阻抗检测的标准。在步骤103之前，检测经颅刺激装置的阻抗是否小于10千欧，在小于10千欧时，触发后续步骤的执行，在不小于10千欧时，不触发后续步骤的执行，进一步，在不小于10千欧时，还可以输出提示信号，以提示当前阻抗不小于10千欧。

当然，上述刺激信号也可以为近红外光、超声波以及其他应用于脑干预技术中的一种或多种类型的刺激信号，在不同的刺激信号下，依据本申请的思想，可以设置相应的公式，以便基于上述第一频率和上述第二频率确定刺激信号序列。以刺激信号为近红外光为例，则可以设置如下红外序列公式：

其中，f1表示所述第一频率，f2表示所述第二频率，emax表示近红外光信号的最大幅值。基于上述红外序列公式所确定的刺激信号序列表征的刺激信号示意图可如图1-c所示，

通过将步骤101获取到的第一频率和第二频率输入上述红外序列公式，即可得到上述刺激信号序列。

步骤103、基于上述刺激信号序列向上述待刺激脑区输出相应的刺激信号；

由于上述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，因此，在步骤103中，可以基于步骤102所确定的刺激信号序列向上述待刺激脑区输出相应的刺激信号。

以lh-acs为例，对于lh-acs而言，可以分为间隔式方式和连续式方式输出刺激信号。

在间断式方式(即(intermittentlh-acs，ilh-acs)中，步骤103可以包括：在预设时长内的各个刺激时间段，分别基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号，且在所述预设时间内的各个等待时间段，停止向所述待刺激脑区输出刺激信号；其中，各个刺激时间段的时间长度相同，且各个等待时间段的时间长度相同，且每个等待时间段位于相邻两个刺激时间段之间。设lh-acs所确定的刺激信号序列表征的刺激信号示意图如图1-d所示，上述预设时长为t3,上述刺激时间段的时间长度为t1,上述等待时间段的时间长度为t2,则ilh-acs的刺激信号可如图1-e所示。由图1-e可见，刺激信号的作用时间为t1间隔时间为t2。具体的，t1的取值范围可以为1-60秒，t2的取值范围可以为1-120秒，t3的取值范围1-1200秒。

在连续式方式(即(continuouslh-acs，clh-acs)中，步骤103可包括：在预设时长内连续基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号。设lh-acs所确定的刺激信号序列表征的刺激信号示意图如图1-d所示，上述预设时长为t，则clh-acs的刺激信号可如图1-f所示。由图1-f可见，clh-acs保持lh-acs的刺激信号输出直到结束电流刺激，时长为t。具体的，t的取值范围可以为1-1200秒。

为便于更好地理解图1-a所示实施例的经颅刺激方法，下面以lh-acs为例对经颅刺激的应用进行说明。图2为lh-acs的一种应用场景示意图。其中，电源装置201为整个经颅刺激装置提供电源，电源装置可以是一次电池、二次电池中的一种或两种以上。其中一次电池可以是锂电池、固体电解质电池等，二次电池为可充电重复利用电池，可以是锂离子电池或锂聚合物电池。上述的一次电池、二次电池可以和整流变压器同时使用，保证电刺激过程中能够正常稳定进行，电源装置201的电压要除了要求能满足工作电流输出，还要求不能超过30伏。进一步，经颅刺激装置还可以包括：控制器202、第一刺激电极203和第二刺激电极204。控制器202可以由微处理器模块、数模转换转换电路、比较电路、取样电路、调整电路、按键控制电路以及显示电路构成，控制器202的功能可包括调节刺激电流、刺激持续的时间。可选地，还可以用以输入上述第一频率和上述第二频率，并还可以具有电极极性的选择、刺激脉冲的选择等功能。

第一刺激电极203和第二刺激电极204为不同通道的刺激电极(可理解为刺激信号输出极)，刺激电极可以是海绵电极、无纺布电极等具有吸水材料电极中一种或两种以上，海绵或无纺布的尺寸可以是5×5cm、5×7cm等尺寸规格的一种。除了吸水材料，刺激电极还可包括导电硅胶、导电薄膜和金属钮铢。刺激电极在使用前，可用充分地盐水浸泡，有的刺激电极也可以使用导电膏等。

如图2所示，将第一刺激电极203和第二刺激电极204贴附在人体的相应位置，由控制器202按照前述方法实施例中确定出的刺激信号序列，触发第一刺激电极203和第二刺激电极204输出相应的刺激信号，即可达到对待刺激脑区进行电刺激的目的。

由于在刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为第一频率，并且，第一频率和第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关且存在高低之分，因此，上述刺激信号序列所表征的刺激信号存在高低频振荡的耦合现象，也即，上述刺激信号序列与待测脑区的工作机制有较高的相关性，这使得基于该刺激信号序列向待刺激脑区输出的刺激信号能够更好地刺激待刺激脑区。可见，相对于传统的经颅电刺激方法，本申请能够有效提高对大脑的刺激效果。

图3为本申请实施例提供一种经颅刺激装置。如图3所示，该经颅刺激装置主要包括：

获取单元301，用于获取第一频率和第二频率，其中，所述第一频率和所述第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关，且所述第一频率低于所述第二频率；

确定单元302，用于基于所述第一频率和所述第二频率，确定刺激信号序列，其中，所述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，且，在所述刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为所述第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为所述第一频率；

输出单元302，用于基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号。

可选的，获取单元301具体用于：从第一频率范围中选取一频率作为第一频率；从第二频率范围中选取一频率作为第二频率，其中，上述第一频率范围为1赫兹至40赫兹，上述第二频率范围为10赫兹至150赫兹。

在一种应用场景中，上述刺激信号具体为电流信号。确定单元302具体用于：将所述第一频率和所述第二频率输入电流序列公式，得到刺激信号序列；

其中，所述电流序列公式为：

在所述电流序列公式中，it表示在时间点t输出的电流信号的大小，f1表示所述第一频率，f2表示所述第二频率，imax表示电流信号的最大幅值。

在上述应用场景的基础上，可选的，输出单元302具体用于：在预设时长内的各个刺激时间段，分别基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号，且在所述预设时间内的各个等待时间段，停止向所述待刺激脑区输出刺激信号；其中，各个刺激时间段的时间长度相同，且各个等待时间段的时间长度相同，且每个等待时间段位于相邻两个刺激时间段之间。或者，输出单元302具体用于：在预设时长内连续基于所述刺激信号序列向所述待刺激脑区输出相应的刺激信号。

在另一种应用场景下，上述刺激信号具体为近红外光信号。确定单元302具体用于：将所述第一频率和所述第二频率输入红外序列公式，得到刺激信号序列。其中，上述红外序列公式为：

其中，f1表示所述第一频率，f2表示所述第二频率，emax表示近红外光信号的最大幅值。

需要说明的是，该经颅刺激装置可用于实现上述方法实施例提供的经颅刺激方法。在图3示例的经颅刺激装置中，各功能模块的划分仅是举例说明，实际应用中可以根据需要，例如相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑，而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将经颅刺激装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。而且，在实际应用中，本实施例中的相应的功能模块可以是由相应的硬件实现，也可以由相应的硬件执行相应的软件完成。本说明书提供的各个实施例都可应用上述描述原则，以下不再赘述。

由于在刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为第一频率，并且，第一频率和第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关且存在高低之分，因此，上述刺激信号序列所表征的刺激信号存在高低频振荡的耦合现象，也即，上述刺激信号序列与待测脑区的工作机制有较高的相关性，这使得基于该刺激信号序列向待刺激脑区输出的刺激信号能够更好地刺激待刺激脑区。可见，相对于传统的经颅电刺激方法，本申请能够有效提高对大脑的刺激效果。

本申请实施例提供另一种经颅刺激装置，请参阅图4，该经颅刺激装置包括：微处理器401、刺激信号发生器402以及刺激信号输出极403。

微处理器401用于：获取第一频率和第二频率，其中，所述第一频率和所述第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关，且所述第一频率低于所述第二频率；基于所述第一频率和所述第二频率，确定刺激信号序列，其中，所述刺激信号序列表征各时间点输出的刺激信号大小，且，在所述刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为所述第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为所述第一频率；基于所述刺激信号序列控制刺激信号发生器402产生相应的刺激信号并通过刺激信号输出极403输出所述刺激信号。

通过配合刺激信号发生器402、刺激信号输出极403，处理器401还可以实现前述方法实施例中描述的其它功能，此处不再赘述。

由于在刺激信号序列中，刺激信号的输出频率为第二频率且刺激信号的幅值变化的频率为第一频率，并且，第一频率和第二频率与待刺激脑区的脑电特性相关且存在高低之分，因此，上述刺激信号序列所表征的刺激信号存在高低频振荡的耦合现象，也即，上述刺激信号序列与待测脑区的工作机制有较高的相关性，这使得基于该刺激信号序列向待刺激脑区输出的刺激信号能够更好地刺激待刺激脑区。可见，相对于传统的经颅电刺激方法，本申请能够有效提高对大脑的刺激效果。

本申请实施例提供再一种经颅刺激装置，请参阅图5，该经颅刺激装置包括：

存储器501、处理器502及存储在存储器501上并可在处理器502上运行的计算机程序，处理器502执行该计算机程序时，实现前述方法实施例中描述的经颅刺激方法。该程序被处理器执行时实现前述方法实施例中描述的经颅刺激方法。

进一步的，该经颅刺激装置还包括：

至少一个输入设备503以及至少一个输出设备504。

上述存储器501、处理器502、输入设备503以及输出设备504，通过总线505连接。

其中，输入设备503具体可为摄像头、触控面板、物理按键或者鼠标等等。输出设备504具体可为显示屏。

存储器501可以是高速随机存取记忆体(ram，randomaccessmemory)存储器，也可为非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如磁盘存储器。存储器501用于存储一组可执行程序代码，处理器502与存储器501耦合。

进一步的，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是设置于上述各实施例中的经颅刺激装置中，该计算机可读存储介质可以是前述图5所示实施例中的存储器。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述方法实施例中描述的功率分配方法。进一步的，该计算机可存储介质还可以是u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本申请所提供的经颅刺激方法和装置的描述，对于本领域的技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。