一种轻度认知障碍大脑康复训练装置及方法与流程

本发明涉及康复训练设备领域，具体涉及一种轻度认知障碍大脑康复训练装置及方法。

背景技术：

1、轻度认知障碍（mild cognitive impairment, mci）是正常衰老与痴呆之间的过渡阶段，主要表现为与年龄和教育水平不相称的记忆、注意或执行功能减退，但尚未显著影响日常生活能力。该人群是进行早期干预、延缓认知衰退的关键窗口期。当前，非药物干预手段主要包括计算机化认知训练、虚拟现实（vr）情景训练、经颅电刺激神经调控以及多感官刺激等。

2、计算机化认知训练通过平板或电脑端重复性的记忆、计算等任务进行练习；vr训练则提供更具生态效度的日常情景，让患者在虚拟环境中进行空间导航、购物、备餐等模拟任务，以强化情景记忆和执行功能。神经调控方面，经颅交流电刺激（tacs）通过施加与内源性脑节律同步的微弱电流，调节神经元群振荡的相位和幅度，已在初步研究中显示出增强工作记忆和情景记忆的潜力。同时，嗅觉由于与海马-内嗅皮层的直接神经投射，被视为一种能够强烈触发情景记忆的感官通道，部分嗅觉训练产品已被用于认知刺激。

3、然而，现有认知训练系统大多仅依据任务完成的正误率和反应时等行为指标来调整难度，无法实时获取患者内部脑功能状态。当患者处于注意力涣散或记忆编码失败的神经状态时，系统无法识别并给予针对性干预，大量训练周期在低效甚至无效状态下消耗。

4、常规tacs干预多在静息状态下进行，且采用固定的刺激频率、相位和时长，完全未考虑患者在主动认知任务中实时变化的脑节律。这种开环刺激与认知过程的自然节律可能失配，甚至干扰正常脑功能，缺乏按需同步干预的能力，安全性和效能均受限制。

5、鉴于现有技术存在的缺陷，亟需一种新型的轻度认知障碍大脑康复训练装置及方法，能够实时感知患者训练过程中的脑功能状态，实现认知训练策略的动态自适应调整，提升mci认知康复的精准性、有效性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种轻度认知障碍大脑康复训练装置及方法，用于实时感知患者训练过程中的脑功能状态，实现认知训练策略的动态自适应调整，提升mci认知康复的精准性、有效性，实现对轻度认知障碍患者认知功能的高效、个性化康复干预。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种轻度认知障碍大脑康复训练装置，包括：

3、脑电采集模块，用于实时采集使用者前额-颞叶区域的脑电信号；

4、经颅电刺激模块，用于对使用者的目标脑区输出交流电刺激；

5、沉浸式情景呈现模块，用于向使用者呈现包含记忆任务的三维日常生活场景及空间化音频；

6、嗅觉释放模块，用于在沉浸式情景呈现模块呈现场景时，向使用者鼻腔释放与场景相匹配的气味；

7、眼动追踪模块，用于实时捕获使用者的注视点位置和瞳孔直径数据；

8、控制单元，与上述各模块通信连接，用于执行以下闭环自适应康复训练控制：

9、在个体化参数标定阶段，分析使用者静息态脑电，提取记忆任务相关频段的个体峰值频率，计算跨频率相位-振幅耦合强度，确定刺激靶点和频率；

10、在训练阶段，控制沉浸式情景呈现模块和嗅觉释放模块联合呈现三维日常生活场景；

11、实时接收脑电采集模块和眼动追踪模块的数据，基于实时的跨频率相位-振幅耦合指标与眼动指标联合判定使用者是否处于记忆编码困难态；

12、当判定为记忆编码困难态时，根据当前脑电瞬时相位，触发经颅电刺激模块对目标脑区输出相位锁定的交流电刺激脉冲串。

13、上述方案的技术原理如下：

14、情景记忆的成功编码高度依赖于内侧颞叶-前额叶网络中theta节律对gamma振荡的相位-振幅耦合（pac），该跨频率耦合为突触可塑性提供精确时间窗口。本发明利用脑电实时监测这一核心神经生理指标：当使用者进行多感官（视、听、嗅）情景探索时，若内源性theta-gamma耦合不足，即表明记忆编码的神经电路未被有效激活。在此关键时机，控制单元通过施加与内源性theta波相位高度同步的交流电刺激，直接增强目标网络的theta节律同步性，重新组织和增强gamma嵌套，从而人工诱发高效的记忆编码状态。同时，气味输入经由嗅球直接投射至海马，与vr空间信息和任务指令深度融合，激活多模态情景记忆痕迹的生成。眼动线索确认了使用者的外显注意指向，保证了内隐脑状态解码与外显行为的对应。

15、采用上述方案有以下有益效果：

16、1、本方案，通过实时采集前额—颞叶脑电信号并计算跨频率相位—振幅耦合强度，直接解码使用者内在记忆编码神经状态，克服了传统系统单纯依赖行为正确率、反应时的外在性和滞后性，使干预决策真实建立于神经活动客观指征之上。

17、2、区别于常规开环、固定频率的tacs干预，本方案仅在检测到记忆编码困难态时触发刺激，且严格依当前脑电瞬时相位锁定输出，保证外加电场与内源性节律同相叠加，降低失配刺激对正常脑节律的干扰，提高了神经调控的靶向效能和生物安全性。

18、3、本方案，将vr情景呈现、空间化音频与场景关联嗅觉刺激有机整合，构建高生态效度的日常生活情景，相比单一通道的计算机化训练更能激活海马—内嗅皮层的多模态记忆编码网络，气味刺激的引入强化了情景记忆的情境依赖性，提升训练内容的迁移效果。

19、4、本方案，引入眼动追踪作为外显注意的行为佐证，与脑电神经指标形成主客观互补的联合判定体系，有效降低单一神经信号伪差或随机波动带来的误判概率，使系统触发决策更加稳健可靠。

20、进一步，控制单元在判定记忆编码困难态时，执行以下操作：

21、实时滑动窗计算前额-颞叶区域的theta频段相位与gamma频段振幅之间的相位-振幅耦合值；同步判断注视点是否停留于任务相关目标物品上，并监测瞳孔直径变化；当同时满足以下条件时判定为记忆编码困难态：

22、相位-振幅耦合值低于预设的个体化阈值；

23、注视点连续停留于同一目标物品的时长超过第一预设时长；

24、瞳孔直径相对于基准状态的增大幅度超过第一预设比例，或缩小幅度超过第二预设比例。

25、有益效果：现有单一脑电指标易受肌电、眼电伪迹或瞬时心理波动干扰而产生假阳性。本发明将内隐的脑电pac耦合衰减（神经层面）、外显的注视锚定（视觉注意层面）和瞳孔直径的极端变化（自主神经唤醒/疲劳层面）进行逻辑与约束，使得系统仅在神经编码回路确已失能、且行为与生理状态同步印证该失能时，方才触发干预。该三重校验机制显著提升了记忆编码困难态判定的特异性，减少了对正常认知波动的无效或过度刺激。

26、进一步，控制单元还用于在触发经颅电刺激的同时，控制沉浸式情景呈现模块对使用者当前注视的目标物品进行视觉突出显示，或下调场景背景复杂度。

27、有益效果：经颅电刺激从神经层面放大内源性theta-gamma耦合，属于“自下而上”的神经增益；而视觉突出显示与背景简化则从感知层面降低目标辨别阈值、减少无关信息竞争，属于“自上而下”的感知降噪。两者在同一时刻精确叠加，形成神经-感知双路径协同放大，提升干预效果。

28、进一步，嗅觉释放模块包含多个气味发生器，每个气味发生器内存放不同种类的气味料盒；控制单元根据沉浸式情景呈现模块当前呈现的场景类型，选择性地开启一个或多个气味发生器，使气味与场景内容匹配。

29、有益效果：通过使释放的气味与当前vr场景内容（如超市场景配以咖啡香、公园场景配以青草香）严格语义匹配，确保海马在编码阶段将“视觉场景—空间位置—任务目标—嗅觉标签”绑定为高度整合的情景记忆痕迹。在后续回忆时，该匹配气味可作为强效检索线索重新激活整个情景网络，提升mci患者的情景记忆提取能力。

30、进一步，目标脑区包括左侧背外侧前额叶或内嗅皮层投射区；个体化参数标定阶段包括比较不同脑电通道的静息态theta-gamma相位-振幅耦合强度，选取耦合强度最低的通道作为刺激靶点。

31、有益效果：神经网络中信息流受制于最薄弱节点的传输效率。本方案通过强化该节点的节律同步性，降低其信息传输阻抗，使海马产生的gamma振荡能更有效地上传至前额叶，前额叶的theta指令也能更顺畅地下达至海马，促进整个记忆网络形成高效的双向信息交互。

32、进一步，经颅电刺激模块输出的交流电刺激频率等于个体化参数标定阶段确定的个体theta峰值频率，刺激强度在预设范围内自适应调节。

33、有益效果：将刺激频率精确设定为个体化theta峰值频率（而非固定频率如6hz），符合神经夹带的“共振原理”。当外加电场频率与内源性节律完全一致时，神经元群体以最小外部能量输入获得最大同步化响应。

34、进一步，控制单元在触发经颅电刺激时，根据判定困难态时刻的最新脑电数据，提取目标通道theta频带的瞬时相位，结合系统固有延迟计算目标触发相位，使经颅电刺激模块输出的交流电刺激与该目标触发相位锁定。

35、有益效果：脑电采集、滤波计算、通信传输及刺激器响应等环节均存在物理延迟（通常数十至数百毫秒）。若直接以“当前实时相位”触发，电刺激到达目标脑区时，内源性节律已发生相移，导致实际叠加相位偏离预期。本方案通过精确测定系统固有延迟，反推计算目标触发相位，确保电场实际作用于皮质神经元时恰好与内源性theta波峰值或谷值严格对齐，实现皮质层面的精准同相干预。

36、进一步，脑电采集模块采用32通道主动式电极帽，电极位置按照国际10-20系统布置。

37、有益效果：32通道布局在前额及颞叶区域（涵盖f3/f4、f7/f8、t7/t8等标准位点）具有足够密的采样网格，能精确区分左侧dlpfc与内嗅皮层投射区等邻近靶点的pac差异。国际10-20系统是脑电领域公认的标准化空间参照框架，保证不同患者、不同训练日采集的脑电数据来自解剖学上一致的位置。这一标准化基础使得个体化标定阶段建立的pac阈值和靶点坐标具有可追溯性和复测信度，也为后续基于大样本数据优化判定算法提供了统一的输入格式。

38、进一步，控制单元还用于根据相位-振幅耦合值与所述预设的个体化阈值之间的偏差程度，自适应调节经颅电刺激模块输出的刺激强度或刺激脉冲串持续时间；偏差程度越大，控制单元控制的刺激强度越高或刺激脉冲串持续时间越长。

39、有益效果：固定高强度对轻度偏差患者可能导致神经适应性抑制或不适感，固定低强度对重度偏差患者则无效。本方案依据实时偏差动态输出，为轻度患者维持低强度舒适区，为重度患者及时提供更强效干预手段，兼顾了安全性、舒适度与强效性。

40、一种轻度认知障碍大脑康复训练方法，包括以下步骤：

41、步骤a、个体化参数标定：采集使用者静息态脑电，提取前额-颞叶区域在theta频段的个体峰值频率，计算theta相位与gamma振幅之间的相位-振幅耦合强度，以此确定刺激靶点、刺激频率及困难态判定阈值；

42、步骤b、多感官情景记忆训练：通过虚拟现实向使用者呈现包含记忆任务的三维日常生活场景，并在呈现场景时同步释放与场景内容匹配的气味，由使用者进行自由观察以执行记忆编码；

43、步骤c、实时状态解析：持续采集使用者的脑电信号和眼动信号，实时计算刺激靶点处的theta-gamma相位-振幅耦合值，并监测注视点位置和瞳孔直径，当相位-振幅耦合值低于困难态判定阈值、且注视点停留时长和瞳孔直径变化满足预设条件时，判定为记忆编码困难态；

44、步骤d、闭环相位同步电刺激干预：一旦判定为记忆编码困难态，提取当前theta频带的瞬时相位，经延迟补偿后，触发经颅电刺激模块以个体峰值频率向所述刺激靶点输出相位锁定的交流电刺激；

45、步骤e、多周期迭代与评估：重复步骤b至d，完成预定数量的记忆训练任务后，再次采集静息态脑电进行评估，生成训练效果报告。