本发明涉及医疗,具体涉及基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统。
背景技术:
1、经皮耳迷走神经刺激(transcutaneous auricular vagus nerve stimulation,tavns)是一种通过低频电刺激迷走神经在耳部的末梢分支,以治疗各种神经相关疾病的方法,包括但不限于癫痫、抑郁症、疼痛、头痛等。然而,现有技术中的tavns多为开环系统,即刺激参数(如频率、强度)在刺激前设定,且在整个治疗过程中保持不变,不能根据患者的实时生理状态作出调整,从而限制了治疗效果和患者的舒适度。
2、由于肌电信号作为迷走神经刺激的反馈,能反映女性受试者下腹部肌肉活动和紧张状态,有助于识别经痛发作的下腹部生理变化;并且,呼吸信号反映了人体的放松状态和自主神经系统的活动,通过监测呼吸模式的变化,可以进一步优化迷走神经刺激的时机和强度,以适应个体的生理状态;因此,本发明通过实时监测肌电信号和呼吸模式,动态触发迷走刺激并调整迷走神经电刺激参数,以提高治疗的个性化和效率,特别是在经痛管理场景中的应用。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足,本发明的目的是提供基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,主要包括信号处理与决策模块、肌电信号检测模块、呼吸信号检测模块、迷走神经刺激模块;信号处理与决策模块根据接收到的肌电信号和呼吸信号,通过闭环迷走神经调控算法计算电刺激强度和电刺激频率,并将电刺激强度和电刺激频率传送至所述迷走神经刺激模块,实现对迷走神经电刺激的闭环调控,不仅能够提高治疗的个性化和效率,并且通过适应个体的生理状态变化,提供了更有效、更个性化的经痛管理方法。
2、为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:所述闭环迷走神经调控系统主要包括信号处理与决策模块、肌电信号检测模块、呼吸信号检测模块、迷走神经刺激模块;
3、所述肌电信号检测模块用于将肌电信号采集电极实时采集的肌电信号传送至所述信号处理与决策模块,所述呼吸信号检测模块用于将呼吸传感器实时采集的呼吸信号传送至所述信号处理与决策模块;
4、所述信号处理与决策模块根据接收到的所述肌电信号和所述呼吸信号,通过闭环迷走神经调控算法计算电刺激强度和电刺激频率,并将所述电刺激强度和所述电刺激频率传送至所述迷走神经刺激模块,从而能够实现对迷走神经电刺激的闭环调控;
5、所述迷走神经刺激模块用于将所述电刺激强度和所述电刺激频率通过迷走神经刺激电极输出至人体的迷走神经皮肤端;
6、所述闭环迷走神经调控算法包括以下步骤:
7、s1:对所述肌电信号进行处理以提取特征值;
8、所述肌电信号用emg表示,时间用t表示,采用带通滤波器滤除所述肌电信号非目标频率的噪声,则有:
9、公式1:emgfiltered(t)=bpfiltered(emg(t)),
10、其中,bpfiltered表示带通滤波器,emgfiltered表示去除噪声后的所述肌电信号;
11、对去除噪声后的所述肌电信号进行特征提取,则有:
12、公式2:
13、其中,rms表示所述肌电信号的特征值,n为采样点数;
14、所述公式1即为所述肌电信号的处理方法,所述公式2即为所述肌电信号的特征提取方法;
15、s2:对所述呼吸信号进行处理以提取特征值;
16、所述呼吸信号用resp表示,时间用t表示,通过计算呼吸周期,寻找resp(t)的局部最大值和最小值,以识别呼吸的波峰和波谷,即resp(t)的局部最大值为呼吸的波峰,resp(t)的局部最小值为呼吸的波谷;
17、s3:计算所述电刺激强度和所述电刺激频率;
18、所述电刺激强度用i表示,则有:
19、公式3:i=ibase+α×(rms-rmsbase),
20、其中,ibase表示基础电刺激强度,rmsbase表示基础肌电信号特征值,α为调整系数;
21、所述电刺激频率用f表示,则有:
22、公式4:f=fbase+β×(δresp-δrespbase),
23、其中,fbase表示基础电刺激频率,δresp为当前呼吸周期与基线呼吸周期的差值,δrespbase为基线呼吸周期差值;
24、所述公式3即为所述电刺激强度的计算方法,所述公式4即为所述电刺激频率的计算方法;
25、所述步骤s1用于实现对所述肌电信号的预处理和特征提取,所述步骤s2用于确定电刺激的最佳时机,所述步骤s3用于确定电刺激的强度和频率以结合患者的舒适度反馈进行微调,从而实现了电刺激的闭环调控;
26、所述信号处理与决策模块与所述肌电信号检测模块、所述呼吸信号检测模块、所述迷走神经刺激模块分别电性相连,所述肌电信号检测模块通过信号线与所述肌电信号采集电极相连接,所述呼吸信号检测模块通过无线信号接收所述呼吸传感器的数据,所述迷走神经刺激模块通过信号线与迷走神经刺激电极相连接。
27、进一步地,所述呼吸传感器为无线表面呼吸传感器,包含两个电极,其中一个电极点贴于右侧锁骨下方,另一个电极点贴于肚脐左侧。
28、进一步地,所述闭环迷走神经调控系统还包括用户界面,所述用户界面用于医疗人员或患者调整所述电刺激强度和所述电刺激频率的初始设定,同时显示实时监测数据和刺激状态;所述用户界面采用液晶显示器实现,所述信号处理与决策模块通过数据接口与所述用户界面进行数据传输。
29、进一步地,所述信号处理与决策模块主要包括微控制器,所述微控制器用于接收所述肌电信号和所述呼吸信号,通过闭环迷走神经调控算法计算电刺激强度和电刺激频率,并将所述电刺激强度和所述电刺激频率传送至所述迷走神经刺激模块。
30、进一步地,所述肌电信号检测模块主要包括模数转换芯片,所述模数转换芯片用于检测所述肌电信号。
31、进一步地,所述呼吸信号检测模块主要包括wi-fi蓝牙模组,所述wi-fi蓝牙模组用于通过无线信号接收所述呼吸传感器传送的数据。
32、进一步地,所述迷走神经刺激模块主要包括光电耦合隔离器、场效应管、放大器;所述光电耦合隔离器用于所述电刺激强度和所述电刺激频率隔离,场效应管用于所述电刺激强度和所述电刺激频率的脉冲调制器或开关稳压控制器,放大器用于所述电刺激强度和所述电刺激频率放大和滤波。
33、进一步地,所述微控制器是32位高密度高性能线路微控制器单元,具有512kb闪存。
34、进一步地,所述模数转换芯片具有内置的可编程增益放大器、内部基准和板载振荡器。
35、所述闭环迷走神经调控系统的工作原理如下所述:
36、第一步:根据患者情况,将所述肌电信号采集电极和所述迷走神经刺激电极粘贴于人体的目标区域,将所述无线传感器的一个电极点贴于右侧锁骨下方,另一个电极点贴于肚脐左侧;
37、第二步:医疗人员或患者通过所述用户界面调整所述电刺激强度和所述电刺激频率的初始设定;然后开机;
38、第三步:所述肌电信号采集电极将实时采集的所述肌电信号通过所述肌电信号检测模块传送至所述信号处理与决策模块;所述呼吸传感器将实时采集的所述呼吸信号通过所述呼吸信号检测模块传送至所述信号处理与决策模块;
39、第四步:所述信号处理与决策模块根据接收到的所述肌电信号和所述呼吸信号,通过所述闭环迷走神经调控算法计算所述电刺激强度和所述电刺激频率,并将所述电刺激强度和所述电刺激频率传送至所述迷走神经刺激模块;
40、第五步:所述迷走神经刺激模块将所述电刺激强度和所述电刺激频率通过迷走神经刺激电极输出至人体的迷走神经皮肤端。
41、上述第三步至第五步不断重复,就实现了对迷走神经电刺激的闭环调控,不仅提高了治疗的个性化和效率,并且通过适应个体的生理状态变化,提供了更有效、更个性化的经痛管理方法。
42、与现有技术相比,本发明提供的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,主要包括信号处理与决策模块、肌电信号检测模块、呼吸信号检测模块、迷走神经刺激模块;肌电信号检测模块用于将肌电信号采集电极实时采集的肌电信号传送至信号处理与决策模块,呼吸信号检测模块用于将呼吸传感器实时采集的呼吸信号传送至信号处理与决策模块,信号处理与决策模块根据接收到的肌电信号和呼吸信号,通过闭环迷走神经调控算法计算电刺激强度和电刺激频率,并将电刺激强度和电刺激频率传送至所述迷走神经刺激模块,从而能够实现对迷走神经电刺激的闭环调控,不仅提高了治疗的个性化和效率,并且通过适应个体的生理状态变化,提供了更有效、更个性化的经痛管理方法。
1.基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述闭环迷走神经调控系统主要包括信号处理与决策模块、肌电信号检测模块、呼吸信号检测模块、迷走神经刺激模块;
2.根据权利要求1所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述呼吸传感器为无线表面呼吸传感器,包含两个电极,其中一个电极点贴于右侧锁骨下方,另一个电极点贴于肚脐左侧。
3.根据权利要求2所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述闭环迷走神经调控系统还包括用户界面,所述用户界面用于医疗人员或患者调整所述电刺激强度和所述电刺激频率的初始设定,同时显示实时监测数据和刺激状态;所述用户界面采用液晶显示器实现,所述信号处理与决策模块通过数据接口与所述用户界面进行数据传输。
4.根据权利要求3所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述信号处理与决策模块主要包括微控制器,所述微控制器用于接收所述肌电信号和所述呼吸信号,通过闭环迷走神经调控算法计算电刺激强度和电刺激频率,并将所述电刺激强度和所述电刺激频率传送至所述迷走神经刺激模块。
5.根据权利要求4所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述肌电信号检测模块主要包括模数转换芯片,所述模数转换芯片用于检测所述肌电信号。
6.根据权利要求4所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述呼吸信号检测模块主要包括wi-fi蓝牙模组,所述wi-fi蓝牙模组用于通过无线信号接收所述呼吸传感器传送的数据。
7.根据权利要求4所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述迷走神经刺激模块主要包括光电耦合隔离器、场效应管、放大器;所述光电耦合隔离器用于所述电刺激强度和所述电刺激频率隔离,场效应管用于所述电刺激强度和所述电刺激频率的脉冲调制器或开关稳压控制器,放大器用于所述电刺激强度和所述电刺激频率放大和滤波。
8.根据权利要求4所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述微控制器是32位高密度高性能线路微控制器单元,具有512kb闪存。
9.根据权利要求5所述的基于肌电和呼吸反馈的闭环迷走神经调控系统,其特征在于,所述模数转换芯片具有内置的可编程增益放大器、内部基准和板载振荡器。