一种多通道一体化闭环超声神经调控方法和装置

本发明属于超声神经调控，尤其涉及一种多通道一体化闭环超声神经调控方法和装置。

背景技术：

1、超声神经调控技术因其能够穿透深部组织、实现空间聚焦且具有与电/磁刺激不同的物理作用机制，近年来在基础神经科学与临床转化研究中受到广泛关注。在科研实验中，超声刺激通常需要与脑电（eeg）等神经信号同步采集，以开展刺激前后效应评估、事件相关分析以及闭环神经调控研究。

2、目前，实验室常见的超声神经调控系统多采用分体式仪器组合方案。具体而言，使用通用函数信号源或任意波形发生器产生载波或调制信号，经功率放大器驱动超声换能器；同时采用独立的eeg采集系统记录脑电信号；必要时通过外部触发器或ttl同步盒对各设备进行事件打标与时间对齐。此外，部分方案通过在换能器声出射端设置声学透镜、耦合垫片等附件，以改变声束聚焦属性。

3、然而，现有方案存在以下缺陷：

4、（一）参数与时序控制问题，复杂刺激序列需反复配置通用仪器，易出错，难以支持高频迭代；eeg与刺激跨设备分散，触发延迟与抖动不可控。

5、（二）多通道同步问题，多台独立信号源难以保证通道间相位与时间一致性。

6、（三）数据同步与标记问题，不同设备之间缺乏统一的标记规则，后期对齐成本高，难以同时适配多种外部设备。

7、（四）实验干扰问题，脉冲起止瞬态产生可听频段成分，影响实验结论可信度。

8、（五）系统集成与操作问题，线缆复杂、运动伪迹多、缺少友好界面与参数边界约束，包络模式与通道数量无联动机制，用户易配置无法稳定执行的参数组合。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种多通道一体化闭环超声神经调控方法和装置，中央处理模块与信号发生模块的分层控制，实现突发持续时间、突发间隔、序列次数、闭环阈值判断与底层波形生成的任务分离；同源同步分配输出若干个同步的超声驱动信号，实现多路输出信号的频率、相位与时间同步；基于缓升时间，按照tukey窗函数或离散近似序列输出幅值，实现脉冲信号的平滑上升与平滑下降；基于缓升时间，将目标幅值划分为16个离散等级形成16级线性阶梯包络模式，满足单通道高时间精度输出需求；实现了灵活、稳定、低干扰、高精度、可追溯的一体化闭环超声神经调控，提升了多通道神经调控实验的时序确定性、多设备兼容性、数据一致性和空间适配能力。

2、本发明的第一方面提供了一种多通道一体化闭环超声神经调控方法，包括：

3、输入用户操作指令，通过识别控制模式并分发初始化指令初始化中央处理模块、信号发生模块、脑电采集模块和功率放大模块；

4、基于所述用户操作指令识别超声刺激参数和任务时序参数并下发至所述中央处理模块；

5、通过神经信号无线采集模块采集多通道脑电信号，通过滤波、统计、特征提取、数据同步获取脑电特征；

6、基于所述脑电特征生成刺激触发指令及对应的底层刺激参数，基于底层刺激参数驱动执行刺激任务；

7、基于所述底层刺激参数通过信号发生模块获取脉冲正弦载波信号，通过同源同步分配输出至少一路的超声驱动信号。

8、优选的，还包括：

9、通过所述中央处理模块接收并存储所述多通道脑电信号；

10、根据预设的目标适应症、脑电特征模板和阈值条件中的一项或者多项确定每一个刺激任务的开始时刻与结束时刻；

11、生成与ttl标记信号对应的同步标记信息；

12、收集系统运行日志，并将所述多通道脑电信号、刺激任务的开始时刻与结束时刻、同步标记信息及运行日志进行关联存储，建立统一的时间基准，生成可追溯的对齐实验数据集。

13、优选的，所述ttl标记信号为突发级的ttl标记信号，刺激突发开始触发所述中央处理模块将ttl标记信号置为高电平，并在所述刺激突发的时段内保持高电平；所述刺激突发结束时驱动所述中央处理模块将ttl标记信号置为低电平。

14、优选的，所述底层刺激参数包括载波频率、峰峰值、脉冲重复频率、占空比和缓升时间。

15、优选的，获取脉冲正弦载波信号的步骤进一步包括：

16、通过所述中央处理模块调节载波频率，通过信号发生模块生成正弦载波信号；

17、基于用户操作指令的幅度和所述峰峰值获取电压幅值；

18、基于所述脉冲重复频率更新脉冲重复周期；

19、基于所述占空比，获取每个脉冲的开启时长与关闭时长，所述开启时长用于输出正弦载波信号，关闭时长用于将信号的幅值置零；

20、在开启时间内输出正弦载波信号，在关闭时间内停止输出或将幅值置零，基于缓升时间，在脉冲起始阶段控制输出信号幅值从0上升至目标幅值，在脉冲结束阶段控制信号下降至0。

21、优选的，还包括：

22、基于所述缓升时间，在每个脉冲的起始阶段和结束阶段，按照tukey窗函数或离散近似序列输出幅值，基于预设的信号幅值更新时间间隔，实现脉冲信号的平滑上升与平滑下降。

23、优选的，输出至少一路超声驱动信号的步骤进一步包括：

24、基于所述缓升时间，将目标幅值划分为16个离散等级，在脉冲缓升阶段和缓降阶段按等级顺序逐级增减输出幅值，形成16级线性阶梯包络模式。

25、优选的，所述中央处理模块根据包络模式动态调整输出方式：

26、若选择tukey窗平滑包络模式时，允许四通道同步输出或多通道独立输出；

27、若选择16级线性阶梯包络模式时，自动限制为单通道输出。

28、优选的，基于所述脑电特征生成刺激触发指令的步骤进一步包括：

29、基于预设阈值对所述多通道脑电信号进行实时判断；

30、当任一通道的脑电特征值超过预设阈值，或多个通道的组合特征满足预设阈值条件时，所述中央处理模块判定满足刺激触发条件，并生成所述刺激触发指令；

31、所述脑电特征包括原始信号幅值、滤波后幅值、特定频段功率、通道均值、通道差值或通道加权值中的一种或多种。

32、本发明的第二方面提供了一种多通道一体化闭环超声神经调控装置，采用上述任意一项所述的一种多通道一体化闭环超声神经调控方法，包括：

33、神经信号无线采集模块，用于采集多通道脑电信号，并将所述多通道脑电信号无线发送至中央处理模块；

34、中央处理模块，用于接收用户操作指令和所述多通道脑电信号，进行滤波、统计、特征提取和阈值判断，并根据用户操作指令或脑电特征生成刺激触发指令、刺激任务时序和底层刺激参数；

35、信号发生模块，用于接收中央处理模块下发的底层刺激参数、输出一路或多路脉冲正弦载波信号；

36、功率放大模块，用于对信号发生模块输出的脉冲正弦载波信号进行功率放大；

37、接口模块，用于输出至少一个通道的刺激正弦信号和接收外部指令数据；

38、声学焦距转换模块，包括若干个声学透镜件，声学透镜件的输出端与外接超声换能器的输出端活动连接，所述声学透镜件用于对所述外接超声换能器输出后的超声波前进行被动式空间相位调制。

39、本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

40、中央处理模块与信号发生模块的分层控制，实现突发持续时间、突发间隔、序列次数、闭环阈值判断与底层波形生成的任务分离。

41、同源同步分配输出若干个同步的超声驱动信号，实现多路输出信号的频率、相位与时间同步；

42、基于缓升时间，按照tukey窗函数或离散近似序列输出幅值，实现脉冲信号的平滑上升与平滑下降；

43、基于缓升时间，将目标幅值划分为16个离散等级形成16级线性阶梯包络模式，满足单通道高时间精度输出需求。