一种带闭环反馈的超声脑机接口系统的制作方法

本发明涉及脑机接口，具体来说，涉及一种带闭环反馈的超声脑机接口系统。

背景技术：

1、脑机接口（bci）技术通过在神经系统与外部设备之间建立直接的通信通道，实现了神经信号的读取与大脑功能的调控。根据信号流向，bci可分为信号采集型，即从大脑读取神经信号，以及神经刺激型，即向大脑施加刺激以调节神经活动两大类。将刺激与检测相结合的闭环脑机接口系统，能够根据实时神经活动反馈动态调整刺激参数，代表了bci技术的重要发展方向。

2、经颅超声神经刺激（transcranial ultrasound stimulation，tus）是一种新兴的非侵入性脑刺激技术，其基本原理是利用低频超声，其通常为200khz-2mhz良好的组织穿透性和波束聚焦能力，将超声能量聚焦于特定脑区，通过机械效应和热效应调节局部神经元群的兴奋性。与其他非侵入性刺激技术相比，tus具有以下优势：空间分辨率高，即可达毫米级，能够精确定位深部脑区，例如丘脑、基底节等而不损伤浅层组织；不涉及强磁场或电流注入，安全性更高，在动物实验和初步试验中已展示出良好的神经调控效果；设备体积小巧，具备便携化潜力。然而，tus也存在一个关键不足，即现有tus系统普遍缺乏同步的、定量的神经活动检测手段，刺激参数，例如强度、频率、持续时间等的调整缺乏客观的实时神经反馈信息，导致刺激效果难以实时评估和动态优化。

3、功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fnirs）是一种利用近红外光，其典型波长为760nm和850nm，检测脑皮层血氧水平变化的非侵入性成像技术。其基本原理是：近红外光穿透头皮和颅骨进入脑皮层浅层，被组织中的含氧血红蛋白（hbo）和脱氧血红蛋白（hbr）选择性吸收，通过检测反射光的强度变化并结合修正的朗伯-比尔定律，可以实时计算局部脑区的血氧浓度变化，从而间接反映神经活动。与其他脑功能检测技术相比，fnirs具有以下优势：便携性好、时间分辨率较高，其通常为10-100hz、对运动伪迹耐受性较强、无电离辐射、设备成本较低；其劣势在于：空间分辨率有限，即约1-3cm；只能检测皮层浅层，即深度约1-3cm的血氧信号；时间响应受血流动力学反应速度限制，即较fmri慢。

4、将fnirs作为tus的反馈检测手段具有天然的互补优势：tus刺激深部脑区引起神经元活动变化，进而导致靶区对应的脑皮层区域出现血氧水平的级联变化，fnirs恰好能够非侵入性地实时捕获这些皮层血氧信号。因此，tus与fnirs的结合为实现闭环神经调控提供了可行的技术路径，即通过fnirs实时监测tus诱发的脑皮层响应，上位机可根据反馈信号动态调整tus参数，形成从刺激发出到效果检测再到参数调整的完整闭环。

5、然而，在现有的tus与fnirs联合使用方案中，通常采用星形拓扑结构（startopology），即经颅超声刺激设备和fnirs反馈设备分别作为独立的终端设备，各自通过独立的通信链路与上位机电脑连接，上位机负责所有指令的分发和数据的汇总。在这种架构下，上位机通过一条usb线缆连接经颅超声刺激设备，同时通过另一条usb线缆或其他接口连接fnirs反馈设备，设备之间没有直接的通信通道，所有信息交互均需经过上位机中转。

6、这种星形架构虽然实现简单，但在实际应用中存在以下显著不足：

7、（1）上位机接口资源与管理开销大：星形架构要求上位机为每个外接设备提供独立的usb物理接口，可接入的设备数量受限于上位机的接口数。同时，上位机操作系统需并发管理多个独立的usb设备连接，增加了驱动程序配置和设备调度逻辑的复杂度，在设备数量增多时尤为突出。

8、（2）缺乏中间智能处理节点：在星形架构中，所有数据，即包括fnirs采集的原始光强数据、经颅超声刺激设备的工作状态数据等均需汇聚至上位机后再进行处理和转发，没有中间节点承担数据预处理、指令智能路由等功能。这增加了上位机的计算负担和通信延迟，在需要毫秒级响应时间的闭环神经调控场景中，上位机中转带来的额外延迟会显著影响闭环控制的实时性。

9、（3）设备协同效率低：刺激设备与反馈设备之间缺乏直接的信号交互路径。例如，fnirs设备采集到的异常神经信号无法直接触发刺激设备的急停响应，必须经过上位机判断后再下发，无法实现设备层级的快速联动和预处理。

10、（4）数据同步精度受限：星形架构中各设备使用独立的时钟系统，采集的数据分别上传至上位机后由软件进行时间对齐。由于缺乏统一的硬件时钟基准，不同设备的数据流之间存在难以消除的时间偏差，即受usb传输抖动和操作系统调度影响，对于需要精确分析刺激与反馈之间时序关系的闭环神经调控场景，同步误差会直接影响反馈控制的准确性。

11、（5）扩展性受限：如需在系统中增加新的设备，例如额外的电生理监测传感器，星形架构要求上位机提供额外的通信接口，并需要修改上位机软件的主控调度逻辑，系统扩展的灵活性和便捷性较差。

12、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种带闭环反馈的超声脑机接口系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、本发明提供了一种带闭环反馈的超声脑机接口系统，该系统包括：

4、上位机控制模块，用于基于预设的刺激方案生成刺激控制指令，并接收和评估超声刺激过程的近红外反馈数据，以完成刺激参数的闭环调整；

5、经颅超声刺激模块，用于接收刺激控制指令，并根据刺激控制指令发出超声脉冲，以实现颅内目标神经区域的刺激；

6、功能性近红外光谱反馈中转模块，分别与上位机控制模块以及经颅超声刺激模块相连接，包括：可编程外设控制芯片、第一通信接口以及第二通信接口，通过可编程外设控制芯片、第一通信接口以及第二通信接口之间的传输配合，实现刺激控制指令的解析与目标设备路由分发，以完成刺激控制指令的定向分流与统一中转调度，并实现近红外反馈数据的时序打包与中转上传，以完成目标设备的并发通信管理。

7、进一步地，功能性近红外光谱反馈中转模块还包括：反馈信号采集功能模块；

8、反馈信号采集功能模块，用于向被测脑皮层发射近红外光并采集近红外光反射信号，对近红外光反射信号进行信号调理、模数转换与数据预处理后，得到近红外反馈数据。

9、进一步地，可编程外设控制芯片包括：通用异步收发传输接口、处理器、通用串行总线物理层收发器、通用可编程接口以及直接存储器访问通道引擎；

10、通用异步收发传输接口与第一通信接口相连接，用于实现刺激控制指令的转发与设备工作状态的上传；

11、处理器，用于对刺激控制指令进行解析与目标设备路由判定，并对近红外反馈数据进行实时血氧状态监测，以实现本地安全监控与超声急停控制；

12、通用串行总线物理层收发器与第二通信接口相连接，用于接收刺激控制指令，并将近红外反馈数据回传至上位机控制模块；

13、通用可编程接口，用于读取反馈信号采集功能模块的近红外反馈数据；

14、直接存储器访问通道引擎，用于在通用可编程接口与通用串行总线物理层收发器之间进行数据搬运，以实现数据传输。

15、进一步地，通用异步收发传输接口与第一通信接口之间的连接方式为：直接串行连接方式或主机与从机连接方式；

16、直接串行连接方式包括：通用异步收发传输接口引脚经电平转换芯片转换后，引出至第一通信接口；

17、主机与从机连接方式包括：通用异步收发传输接口引脚连接通用串行总线转串口芯片的串口侧，并经通用串行总线转串口芯片转换为通用串行总线从机接口后，引出至第一通信接口。

18、进一步地，对刺激控制指令进行解析与目标设备路由判定包括：

19、提取刺激控制指令的目标设备标识，若目标设备标识为功能性近红外光谱反馈设备，则将刺激控制指令交由反馈信号采集功能模块执行；

20、若目标设备标识为经颅超声刺激设备，则将刺激控制指令通过通用异步收发传输接口转发至第一通信接口，以传递至经颅超声刺激模块执行。

21、进一步地，对近红外反馈数据进行实时血氧状态监测，以实现本地安全监控与超声急停控制包括：

22、从近红外反馈数据中实时提取目标通道的血氧浓度变化率，并将血氧浓度变化率作为异常状态判定指标；

23、将异常状态判定指标与预设安全阈值进行比对，根据比对结果生成血氧状态判定结果；

24、当血氧状态判定结果为超出预设安全阈值时，生成本地超声急停指令，将本地超声急停指令发送至经颅超声刺激模块，以切断超声脉冲输出，并生成异常事件信息；

25、将异常事件信息封装为上行数据帧，并上传至上位机控制模块进行异常记录与状态提示。

26、进一步地，反馈信号采集功能模块包括：光源驱动模块、探测器采集模块、信号调理模块、模数转换模块、现场可编程门阵列；

27、光源驱动模块，用于驱动近红外光源发射预设波长的近红外光，以投射至被测脑皮层；

28、探测器采集模块，用于接收经脑组织和吸收后的近红外光反射信号，并将近红外光反射信号转换为模拟电信号；

29、信号调理模块，用于对模拟电信号进行前置放大与滤波降噪，得到调理后的模拟光强信号；

30、模数转换模块，用于对模拟光强信号进行多通道近红外光强信号的模数转换，得到多通道数字光强数据；

31、现场可编程门阵列，用于对多通道数字光强数据进行跨时钟域缓冲、通道复用打包与时序适配，得到近红外反馈数据，并将近红外反馈数据传输至通用可编程接口。

32、进一步地，现场可编程门阵列与通用可编程接口的数据总线宽度配置相一致；通用可编程接口侧读出时钟由现场可编程门阵列内部的锁相环倍频产生的同步时钟提供。

33、进一步地，上位机控制模块包括：第三通信接口；

34、第三通信接口与第二通信接口相连接，用于向功能性近红外光谱反馈中转模块传输刺激控制指令，并获取功能性近红外光谱反馈中转模块输出的近红外反馈数据和异常事件信息。

35、进一步地，经颅超声刺激模块包括：第四通信接口；

36、第四通信接口与第一通信接口相连接，用于接收转发的刺激控制指令，并回传经颅超声刺激模块的设备工作状态、指令确认帧及故障状态数据。

37、本发明的有益效果为：

38、1、本发明能够实现真正的闭环神经调控，即将经颅超声刺激与fnirs实时监测无缝集成，克服了传统超声刺激只刺激不检测的开环缺陷。通过fnirs实时反馈刺激诱发的脑皮层血氧变化，上位机控制模块可即时评估刺激效果并动态调整参数，形成从刺激到检测再到调整的完整闭环，显著提升了神经调控的精准性和有效性。

39、2、本发明通过级联拓扑与智能路由架构，即通过在上位机控制模块与经颅超声刺激模块之间串接集成可编程外设控制芯片的功能性近红外光谱反馈中转模块，实现了上位机、fnirs、超声刺激的线性级联拓扑。可编程外设控制芯片内置的处理器作为中间智能节点，负责指令的解析和定向路由，使得上位机控制模块仅需单一通用串行总线链路即可管控两个功能设备，大幅降低了上位机控制模块通信接口需求与软件管理开销。相比传统星形架构下上位机需为每个设备提供独立通用串行总线接口并并发管理多个设备连接的方案，本发明将接口管理与设备调度的复杂度集中由中间节点承担，上位机控制模块侧仅需维护单一通用串行总线设备连接，简化了上位机软件架构与驱动配置。

40、3、本发明能够实现高速低延迟的数据传输，即利用可编程外设控制芯片的通用串行总线物理层收发器接口，通用串行总线物理层收发器接口为5gbps带宽作为fnirs反馈数据的上传通道，结合可编程外设控制芯片内置的直接存储器访问通道引擎，可实现多通道高采样率近红外数据的高速、低延迟传输。经实测验证，本发明支持32通道、200hz采样率的近红外反馈数据稳定传输，对应有效数据带宽约256kbps，端到端平均传输延迟不超过8ms；单条控制指令从第二通信接口进入可编程外设控制芯片到由通用异步收发传输接口发出的处理延迟不超过2ms。上述指标表明，本发明在满足多通道高采样率近红外反馈数据传输需求的同时，保障了闭环控制回路对刺激控制指令实时性的严苛要求。

41、4、本发明能够实现固件在线升级与系统可重构性，即可编程外设控制芯片的处理器固件可通过通用串行总线接口在线升级，可编程外设控制芯片支持dfu（devicefirmware upgrade）模式，由上位机控制模块直接完成固件烧写升级，典型固件大小约256kb，升级时长不超过10秒，升级完成后软复位即可加载新固件运行。当需要调整刺激控制指令路由策略、增加新的刺激控制指令类型或扩展设备支持时，仅需更新固件程序而无需改动任何硬件，赋予了系统极高的灵活性和可扩展性，能够适应不同的临床场景和科研需求。

42、5、本发明能够提升安全性，由于可编程外设控制芯片的处理器作为中间智能节点独立运行安全监控逻辑，即使在上位机控制模块崩溃或通信中断的异常情况下，处理器仍可基于本地预设的安全策略独立执行急停指令，通过通用异步收发传输接口直接向经颅超声刺激模块发送停止刺激命令，切断超声输出，避免因上位机控制模块失效导致的刺激失控风险。同时，处理器对上位机控制模块下发的每条指令进行参数合法性校验，例如刺激强度、持续时间是否超出安全阈值，对超出预设安全范围的异常指令予以拦截并返回错误响应，防止因软件故障或误操作产生的危险指令传递至经颅超声刺激模块。上述机制实现了独立于上位机控制模块的本地安全防护层，为经颅超声刺激的临床应用提供了双重安全保障。

43、6、本发明具有高集成度与小型化优势，即采用单颗可编程外设控制芯片集成了处理器内核、通用串行总线物理层收发器与通用异步收发传输接口三项功能，相比传统方案中mcu、usb3.0控制器芯片、独立串口转发芯片的分立器件组合，显著减少了系统所需芯片数量与外围电路面积，单芯片方案对应的pcb占用面积较传统多芯片方案缩小约50%，有效适配了便携式fnirs设备的小型化需求。