一种基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统

本发明涉及脑机接口和嗅觉辅助增强领域，尤其涉及一种基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统。

背景技术：

1、嗅觉是人类感觉系统中的重要组成部分，它使我们能够感知和辨别周围的气味，在食物选择、环境感知、社交互动等方面发挥着至关重要的作用。然而，某些情况下，一些人可能经历嗅觉损失或嗅觉障碍，导致他们无法正常感知和辨别气味，严重影响了他们的日常生活质量。目前，针对嗅觉障碍的治疗方法正在不断发展和完善。根据不同的嗅觉障碍病因，临床上通常采用药物治疗、手术干预和嗅觉训练等方法。然而，这些治疗方式在嗅觉感知的恢复上存在一定的限制。药物治疗可能有副作用，并且对于某些嗅觉障碍的病因不起作用。手术干预可能带来一定的风险和并发症。嗅觉训练可以在某些情况下改善嗅觉感知能力，但其有效性在临床实践中存在差异。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，该系统包括多个关键技术模块，综合应用了脑机接口、深度学习、脑电刺激和无线传输等技术，以实现嗅觉感知的模拟和恢复。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，用于辅助增强嗅觉障碍患者的嗅觉感知能力，包括神经信号采集模块、神经信号解码模块和人体神经刺激模块；所述神经信号采集模块和神经信号解码模块为穿戴式设备；所述人体神经刺激模块为皮下植入式设备；

3、所述神经信号采集模块，利用通过手术植入到动物嗅觉通道的多通道电极和脑-机接口技术实时采集和记录动物嗅觉系统的神经信号；

4、所述神经信号解码模块，构建气味解码模型用于解码动物嗅觉神经信号中的气味信息，并将解码指令通过无线传输技术发送到人体神经刺激模块；所述气味解码模型包括预处理、特征提取和气味识别三部分，通过预处理对原始信号进行滤波、归一化和噪声去除，通过特征提取捕捉信号的空间和时序特征，实现气味信息的检测和识别，包括气味分子种类、浓度和持续时间；

5、所述人体神经刺激模块包括嗅觉编码模块和刺激电极阵列；所述嗅觉编码模块以微型芯片形式植入到人体皮下组织，用于接收解码指令，将气味信息数据编码成特定的电刺激指令，刺激模式包括时间参数、空间参数、强度和频率参数，不同的参数设置对应不同气味引起的嗅觉感受；所述刺激电极阵列通过微创手术植入到患者的嗅觉相关脑区，输出精确、安全的电刺激信号，进行嗅觉相关脑区的准确刺激，实现患者嗅觉感知的增强。

6、进一步地，所述神经信号采集模块中，进行植入手术时在动物的嗅上皮或嗅球中植入多通道电极，手术恢复后对动物嗅觉神经信号进行记录。

7、进一步地，所述气味解码模型的预处理部分，用于处理采集到的低频场电位信号lfp和高频动作电位信号spike；特征提取部分通过卷积神经网络捕捉信号的空间特征，通过长短时记忆网络捕捉信号的时序特征；气味识别部分通过全连接神经网络实现，用于预测与气味信息相关的气味响应参数，包括气味分子种类、浓度、持续时间。

8、进一步地，所述微型芯片能够有效地将接收到的气味响应参数编码成适当的刺激模式，所述刺激模式包括时间参数、空间参数、强度和频率参数，以模拟不同气味的嗅觉感受；通过预训练建立刺激模式与气味引起的嗅觉感受的对应关系库，实际使用时根据气味解码模型反馈的响应参数自动匹配相应的刺激模式，这将使得电极阵列以最佳方式刺激嗅觉障碍患者的嗅觉系统，从而增强患者对周围环境气味的辅助感知。

9、进一步地，所述微型芯片根据气味响应参数的不同组合和权重来创建模拟气味的刺激模式，包括以下三个方面：

10、①时间参数：包括刺激的开始时间、持续时间、脉冲间隔等参数，通过调整这些参数，模拟嗅觉感受的持续时间和变化；

11、②空间参数：包括电极阵列施加刺激的位点，不同位点的电极组合性激活用来模拟不同的嗅觉感受；

12、③强度和频率参数：控制刺激的强度和频率，更好地模拟真实的嗅觉感觉。

13、进一步地，所述刺激模式与气味引起的嗅觉感受的对应关系库的创建方法如下：

14、①感知反馈记录：嗅觉障碍患者被施加不同的刺激模式，并被要求提供关于嗅觉感受的反馈，这些嗅觉反馈通常是关于嗅觉体验的主观描述，如“这个气味像鸡蛋，很微弱”；嗅觉反馈可能包括气味种类的描述、浓度、持续时间等信息；

15、②关系库构建：利用不同刺激模式和嗅觉感受反馈的组合，逐渐建立刺激模式与气味引起的嗅觉感受的对应关系库，所述关系库中的每条数据由一个唯一的刺激模式下的参数组合和相应的主体嗅觉感受描述组成。

16、进一步地，所述无线传输技术能够将动物嗅觉系统感知到的气味信息实时地传输到患者的嗅觉系统中，且无线传输和接收范围覆盖了人和动物日常活动半径，使患者能够在日常生活中通过动物的嗅觉系统便捷地实时感知到周围环境中的气味刺激。

17、进一步地，该系统通过受试者的主观评价对刺激模式进行动态调整和优化，实现个性化参数配置，以更好地满足临床需求。

18、相对于目前的嗅觉治疗技术，本发明具有以下有益效果：

19、1.高灵敏度：相比于利用气味传感阵列对气味进行传感的嗅觉植入装置，本发明利用动物嗅觉系统对气味进行感知和分析，能够检测自然环境中存在的各种气味，并对微弱的气味有较高的感知力和灵敏度。

20、2.实时气味感知：通过无线传输技术，将动物嗅觉感知到的气味信息实时传输到患者的嗅觉系统中，实现对周围环境气味刺激的实时感知，这种实时性能够增强患者对周围环境的嗅觉感知能力。

21、3.可控性：脑电刺激提供了精确而安全的电刺激波形，确保对嗅觉相关脑区的准确刺激，并确保患者的安全和舒适。

22、4.应用广泛性：本发明的脑-脑接口的嗅觉辅助增强技术可以应用于多种嗅觉障碍患者，包括因外伤、手术、疾病等原因引起的嗅上皮损伤，但中枢感觉系统正常的患者，为他们提供了一种有效的嗅觉修复和增强方法。

技术特征：

1.一种基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，用于辅助增强嗅觉障碍患者的嗅觉感知能力，包括神经信号采集模块、神经信号解码模块和人体神经刺激模块；所述神经信号采集模块和神经信号解码模块为穿戴式设备；所述人体神经刺激模块为皮下植入式设备；

2.根据权利要求1所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，所述神经信号采集模块中，进行植入手术时在动物的嗅上皮或嗅球中植入多通道电极，手术恢复后对动物嗅觉神经信号进行记录。

3.根据权利要求1所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，所述气味解码模型的预处理部分，用于处理采集到的低频场电位信号lfp和高频动作电位信号spike；特征提取部分通过卷积神经网络捕捉信号的空间特征，通过长短时记忆网络捕捉信号的时序特征；气味识别部分通过全连接神经网络实现，用于预测与气味信息相关的气味响应参数，包括气味分子种类、浓度、持续时间。

4.根据权利要求1所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，所述微型芯片能够有效地将接收到的气味响应参数编码成适当的刺激模式，所述刺激模式包括时间参数、空间参数、强度和频率参数，以模拟不同气味的嗅觉感受；通过预训练建立刺激模式与气味引起的嗅觉感受的对应关系库，实际使用时根据气味解码模型反馈的响应参数自动匹配相应的刺激模式，这将使得电极阵列以最佳方式刺激嗅觉障碍患者的嗅觉系统，从而增强患者对周围环境气味的辅助感知。

5.根据权利要求4所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，所述微型芯片根据气味响应参数的不同组合和权重来创建模拟气味的刺激模式，包括以下三个方面：

6.根据权利要求4所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，所述刺激模式与气味引起的嗅觉感受的对应关系库的创建方法如下：

7.根据权利要求1所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，所述无线传输技术能够将动物嗅觉系统感知到的气味信息实时地传输到患者的嗅觉系统中，且无线传输和接收范围覆盖了人和动物日常活动半径，使患者能够在日常生活中通过动物的嗅觉系统便捷地实时感知到周围环境中的气味刺激。

8.根据权利要求1所述的基于脑-机-脑接口的嗅觉辅助增强系统，其特征在于，该系统通过受试者的主观评价对刺激模式进行动态调整和优化，实现个性化参数配置，以更好地满足临床需求。

技术总结
本发明公开了一种基于脑‑机‑脑接口的嗅觉辅助增强系统，包括神经信号采集模块、神经信号解码模块和人体神经刺激模块；神经信号采集模块利用电极和脑‑机接口技术采集动物嗅觉神经信号；神经信号解码模块用于构建气味解码模型，解码神经信号中的气味信息，将解码指令通过无线传输技术发送到人体神经刺激模块；人体神经刺激模块通过微型芯片接收解码指令并将其编码成电刺激指令，通过刺激电极进行患者嗅觉系统准确刺激，实现嗅觉感知增强。本发明借助哺乳动物的嗅觉功能，通过脑‑机‑脑技术将气味感受从动物传递到人，提供一种创新的嗅觉功能增强方案，且理论依据充分、技术方法可行，有望被广大患者接受使用，显著改善嗅觉障碍患者的生活质量。

技术研发人员：石颖倩,庄柳静,袁群琛,尚书诺,王平
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15