专利汇可以提供一种非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统及获取干扰脑电分布的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种非 接触 非侵入无损伤的 癫痫 路径可达方式监测预警干预系统及获取干扰脑电分布的方法,该系统包括非接触采集模 块 、非接触控 制模 块与非接触干预模块;采集模块包括若干与头皮不接触的 信号 采集 电极 ; 控制模块 包括时间预测单元和空间预测单元;干预模块包括若干可控脉冲电磁单元,可控脉冲电磁单元具有正对头皮的电磁线圈,电磁线圈与信号采集电极交错布置;本发明系统可以在癫痫发作之前预测其发作时间、发作 位置 、并根据其预测结果以路径可达方式干预大脑中电荷分布与 电流 趋势,充分利用了混沌 电路 的初始敏感性、 机器学习 以及 生物 电磁耦合原理非接触非侵入无损伤测量脑电与干预癫痫,可应用于可穿戴设备与移动医疗领域。,下面是一种非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统及获取干扰脑电分布的方法专利的具体信息内容。
1.一种非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,该系统为三层叠加结构,从内至外分别为:非接触采集模块、非接触干预模块和非接触控制模块;
所述非接触采集模块包括n个信号采集电极,信号采集电极与头皮不接触,通过放大器放大信号采集电极采集的癫痫患者脑电波,通过机器学习得到脑电波和实际电位信息的关系,从而通过非接触方式得到电位e'i,i=1,2,3,...,n,随后通过滤波器对电位e′i进行降噪、过滤处理得到滤波后的电位ei,i=1,2,3,...,n;
所述非接触控制模块包括时间预测单元和空间预测单元;
所述时间预测单元通过t时刻之前的设定时间间隔内的各个时间点采集的电位序列,训练得到预测函数P,通过预测函数P得到每个信号采集电极预测时刻t*的电位e(t*),预测电位e(t*)和设定电位阈值θ比较,将大于等于θ的预测电位e(t*)标记e*,e*对应的信号采集电极的位置集合A={(x,y)|e*≥θ}判断为时间预测的爆发位置,其中x代表信号采集电极在非接触采集模块中的行数,y代表信号采集电极在非接触采集模块中的列数,e*对应的时间t*为癫痫预测爆发时间;将预测的爆发位置发送给空间预测单元,同时启动空间预测单元,否则继续进行监测;
所述空间预测单元通过n个信号采集电极的当前时刻t1的邻域时刻的电位,结合n个信号采集电极在非接触采集模块的位置(x,y),获得n个信号采集电极的n(η+1)个电压e(i,t)(x,y),(t=t1-η,...,t1-2,t1-1,t1;i=1,2,...,n),每个信号采集点的η+1个电压e(i,t)(x,y)中,取相邻的电压两两作差,得到每个信号采集电极的η个电压梯度D(i,j),(i=1,2,...,n,j=1,2,...η);对每个信号采集点的η个电压梯度取平均得到电压梯度平均值通过比较n个信号采集电极的电压梯度平均值 得到电压梯度极大值坐
标(x',y')的集合B与极小值坐标(x",y")的集合C;
通过求集合A和B的交集得到大脑兴奋区域坐标(x*,y*)集合P,通过求集合 和C的交集得到大脑非兴奋区域坐标(x^,y^)集合N,并将坐标集合信息发送给干预模块;
所述非接触干预模块包括m个可控脉冲电磁单元,所述可控脉冲电磁单元具有正对头皮的电磁线圈,所述电磁线圈与信号采集电极交错布置,在垂直方向上无重叠;所述电磁线圈产生大小与极性可控的干预磁场B,所述干预磁场B能够与大脑中的生物电场耦合;可控脉冲电磁单元对非兴奋区域集合N进行电磁刺激按摩,通过路径可达的干预方式疏散兴奋区域集合P所在大脑区域的大量积聚电荷;
所述路径可达的干预方式是指:
通过测量历史数据,得到大脑内电荷的可达路径,当兴奋区域电荷积聚过多时,电磁脉冲单元发出电磁脉冲,通过电磁耦合的作用,由可达路径将过多电荷引流到大脑非兴奋区域;所述的可达路径由以下的方式测量得到:
以第i个坐标信号采集点为中心,定义z个相邻的信号采集点组成的邻域,通过邻域脑电差分法获得第i个信号采集点的可达路径元λi,同理可以得到另外n-1个信号采集点的可达路径元λj(j=1,2,...,j≠i,...,n);
得到电势升高路径元λ1,λ2,...,λi,...,λn后,多个可控电磁单元发出的电磁脉冲Bi,通过磁聚焦方法将焦点fB对准电荷积聚最高坐标σmax,按照路径可达的方向将σmax的多余电荷向电荷积聚最低区域σmin移动,其中σmax是兴奋区域P中电压与电压梯度最大的信号采集点对应的坐标,其中σmin是非兴奋区域N中电压与电压梯度最小的信号采集点对应的坐标,磁聚焦的焦点fB从σmax到σmin的路径为λ1,λ2,...,λi,...,λn的排列组合,可以有多种排列组合,也可以通过多个磁聚焦点移动;
干预时间持续ΔT后,若兴奋区域信号采集单元电位ek(k=1,2,…,p)电位都小于电位阈值θ时,则干预模块工作结束,否则重复以上干预过程。
2.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,该系统置于大脑外侧,外观呈帽形。
3.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述放大器为杜芬电路放大器,通过以下公式搭建而成:
其中k是阻尼比,x为测量信号,(x3-x5)为非线性恢复力,γsin(ωt+π)为内置驱动信号,γ为内置驱动信号的幅值,ω为内置驱动信号的频率。
4.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述通过预测函数P得到每个信号采集电极预测时刻t*的电位e(t*)具体为:
对于第i个信号采集电极,通过放大过滤后得到的电位时间序列为ei(t),(i=1,2,...,n),设c(i)为与节点i相邻的节点集合,m为c(i)中的元素个数,表示相邻节点的个数,ec(i)(t)为节点集合c(i)的电位;以ei(t)与ec(i)(t)的历史数据作为输入输出样本来训练预测函数P;
训练过程具体如下:
定义预测函数P的输入为input,输出为output;训练第k代的时候,input的输入长度为(1+m)*(1+τ),输出长度为1;取Δt为一个时间间隔,则t时刻第i个信号采集点电位为ei(t),t时刻以前τ个时间间隔Δt的电位表示为ei(t-1),ei(t-2)...,ei(t-τ);第i个信号采集点的相邻采集点的电位为ec(i)(t)、τ个时间间隔Δt的电位表示为ec(i)(t-1),ec(i)(t-
2)...,e(i)(t-τ),以上这长度为1+τ个数为1+m的时间序列作为输入,则输入表示为:
input={ei(t),ei(t-1),...,ei(t-τ),ec(i)(t),ec(i)(t-1),...,ec(i)(t-τ)};
训练时的输出为t时刻经过一个时间间隔Δt的电位,表示为ei(t+1),则输出表示为:
output={ei(t+1)};则
若t取之前的某一时刻t0,则
input={ei(t0),ei(t0-1),...,ei(t0-τ),ec(i)(t0),ec(i)(t0-1),...,ec(i)(t0-τ)},训练输出output={ei(t0+1)}作为一组训练样本;取时间间隔为Δt'、且从t0时刻后取N个时间间隔如t0,t0+1,...,t0+N-1作为N组训练样本,训练1000次到10000次,得到训练函数P,且output=P(input);
当t取当前时刻,则通过预测函数P预测得到下一时刻t+Δt的采集点电压幅值ei(t+Δt);令t*=t+Δt,则t*表示为预测时刻,同时预测电位表示为e(t*)。
5.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述空间预测单元中,电压梯度平均值 的获取方法如下:
通过n个信号采集电极的当前时刻t1的邻域时刻的电位,结合n个信号采集电极在非接触采集模块的位置(x,y),获得n个信号采集电极n(η+1)个时刻的采集电位e(i,t)(x,y),(t=t1-η,...,t1-2,t1-1,t1;i=1,2,...,n),将e(i,t)(x,y)记作e(i,t),则有采集电位矩阵:
采集电位矩阵的每一行表示η+1个较短时刻的采集电位序列,对矩阵相邻两列作差,得到n个信号采集电极的η个电位梯度
D(i,j)=e(i,t)(x,y)-e(i,t-1)(x,y),(t=t1-η+1,...,t1-2,t1-1,t1.i=1,2,...,n,j=1,
2,...η),则有电位梯度矩阵:
电压梯度矩阵的第i行表示第i个信号采集点的电位时间差分序列,第j列表示第j个相邻的电位时间梯度,随后对每一行的电位时间差分序列求取平均值 得到电压
梯度平均值
6.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述可控脉冲电磁单元包括PWM波控制模块、全控可关断电力电子器件模块、电磁线圈;所述全控可关断电力电子器件模块采用IGBT,PWM波控制模块的输出端接IGBT的门极G,IGBT的集电极C分别接电容C1的一端和滑动变阻器R1的第一固定端,滑动变阻器R1的第二固定端连接电源的正极,IGBT的发射极E接电磁线圈的一端,电磁线圈的另一端和电容C1的另一端相连后接电源的负极;所述滑动变阻器R1能够改变电磁线圈中电流的大小;通过PWM波控制模块控制IGBT的开启和关断,从而改变电磁线圈中的电流大小,进而改变干预磁场 的方向以及强弱。
7.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述通过邻域脑电差分法步骤如下:
第i个信号采集点的脑电为ei,设c(j)(j=1,2,…,z-1)为与第i个坐标信号采集点(中心位置信号采集点)相邻信号采集点,则相邻采集点的脑电为ec(j)(j=1,2,…,z-1);在时刻T0,得到中心位置信号采集点的脑电e'i与相邻采集点的脑电e'c(j)(j=1,2,…,z-1),在经过ΔT后的时刻T1,得到中间位置信号采集点的脑电e"i与相邻采集点的脑电e"c(j),并对T0时刻与T1时刻的脑电作差得到脑电时间差分di、dc(j)(j=1,2,…,z-1);并对脑电时间差分di与dc(j)(j=1,2,…,z-1)作差,得到脑电差分差值Cc(j)(j=1,2,…,z-1),即Cc(j)=dc(j)-di,比较z-1个脑电差分差值Cc(j)的大小,并将z-1个Cc(j)按照由高到低的顺序排列,将脑电差分差值的两个最值Cc(max),Cc(min)对应的三个坐标(xmin,xmin),(xi,yi),(xmax,ymax)的连线作为电荷逐渐累计并且可以流通的一个可达路径,记作电势升高路径元λi;对另外n-1个信号采集点及其邻域进行如上的计算得到以每个信号采集点为中心的三坐标连线作为可达路径,记作电势升高路径元λj(j=1,2,...,j≠i,...,n)。
8.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述磁聚焦方法是指:信号采集点相邻两个或多个成对的可控脉冲电磁单元发出极性相反且同步的电磁脉冲,使得一对可控脉冲单元之间的磁力线能够覆盖到信号采集点上,从而该信号采集点位置的神经元细胞膜上垂直运动的电流元能够受到磁力线的作用而产生安培力,使其在细胞膜上移动,磁聚焦的焦点fB是一对可控脉冲电磁单元的中心位置。
9.根据权利要求1所述的非接触非侵入无损伤的癫痫路径可达方式监测预警干预系统,其特征在于,所述磁聚焦法路径元排列组合的规则如下:当某个区域电荷过多的时候,以一个坐标位置作为一个干预单位,根据从σmax到σmin的所用干预单位最少的准则确定λ1,λ2,...,λi,...,λn的组合;若出现m个相同长度的干预单位,则可以取m个磁聚焦点fB同时作用在m个相同长度的干预路径。
10.一种非接触非侵入无损伤路径可达方式获取干扰脑电分布的方法,其特征在于,以一种非接触非侵入无损伤的方法获取并以路径可达的方式干扰电荷的分布与电流的趋势;
这种方法包括非接触测量大脑中的电荷与电流的分布,时间预测结合空间预测来定位电荷积聚较多且积聚速度块或者电荷积聚较少且积聚速度慢的区域,并基于路径可达的方法干预大脑中的电荷的分布与神经元中的电流趋势;具体步骤如下:
第1步:通过n个信号采集电极采集被试者的脑电波,信号采集电极与头皮不接触,通过机器学习得到脑电波和实际电位信息的关系,从而通过非接触方式得到电位e'i,i=1,2,
3,...,n,随后通过滤波器对电位e′i进行降噪、过滤处理得到滤波后的电位ei,i=1,2,
3,...,n;
第2步:时间预测:通过t时刻之前的设定时间间隔内的各个时间点采集的电位序列,训练得到预测函数P,通过预测函数P得到每个信号采集电极预测时刻t*的电位e(t*),预测电位e(t*)和设定电位阈值θ比较,将大于等于θ的信号采集电极的位置集合设置为A={(x,y)|e*≥θ},其中(x,y)为信号采集电极的位置坐标;
第3步:空间预测:通过n个信号采集电极的当前时刻t1的邻域时刻的电位,结合n个信号采集电极的位置(x,y),获得n个信号采集电极的n(η+1)个电压e(i,t)(x,y),(t=t1-η,...,t1-2,t1-1,t1;i=1,2,...,n),每个信号采集点的η+1个电压e(i,t)(x,y)中,取相邻的电压两两作差,得到每个信号采集电极的η个电压梯度D(i,j),(i=1,2,...,n,j=1,2,...η);对每个信号采集点的η个电压梯度取平均得到电压梯度平均值 通过比较n个信
号采集电极的电压梯度平均值 得到电压梯度极大值坐标(x',y')的集合B与极小值坐标(x",y")的集合C;
第4步:通过集合A和B的交集得到大脑兴奋区域坐标(x*,y*)集合P,通过求集合A和C的交集得到大脑非兴奋区域坐标(x^,y^)集合N;
第5步:获得可达路径:以第i个坐标信号采集点为中心,定义z个相邻的信号采集点组成的邻域,中心位置信号采集点的脑电为ei,设c(j)(j=1,2,…,z-1)为与第i个坐标信号采集点(中心位置信号采集点)相邻信号采集点,则相邻采集点的脑电为ec(j)(j=1,2,…,z-
1);在时刻T0,得到中心位置信号采集点的脑电e'i与相邻采集点的脑电e'c(j)(j=1,2,…,z-1),在经过ΔT后的时刻T1,得到中间位置信号采集点的脑电e"i与相邻采集点的脑电e"c(j),并对T0时刻与T1时刻的脑电作差得到脑电时间差分di、dc(j)(j=1,2,…,z-1);并对脑电时间差分di与dc(j)(j=1,2,…,z-1)作差,得到脑电差分差值Cc(j)(j=1,2,…,z-1),即Cc(j)=dc(j)-di,比较z-1个脑电差分差值Cc(j)的大小,并将z-1个Cc(j)按照由高到低的顺序排列,将脑电差分差值的两个最值Cc(max),Cc(min)对应的三个坐标(xmin,xmin),(xi,yi),(xmax,ymax)的连线作为电荷逐渐累计并且可以流通的一个可达路径,记作电势升高路径元λi;对另外n-1个信号采集点及其邻域进行如上的计算得到以每个信号采集点为中心的三坐标连线作为可达路径,记作电势升高路径元λj(j=1,2,...,j≠i,...,n);
第6步:脑电干扰:得到电势升高路径元λ1,λ2,...,λi,...,λn后,通过磁聚焦方法将焦点fB对准电荷积聚起始坐标σ1,按照路径可达的方向将σ1的电荷向目标区域σ2移动,其中磁聚焦方法是指信号采集点相邻两个或多个成对的可控脉冲电磁单元发出极性相反且同步的电磁脉冲Bi,使得一对可控脉冲单元之间的磁力线能够覆盖到信号采集点上,从而该信号采集点位置的神经元细胞膜上垂直运动的电流元能够受到磁力线的作用而产生安培力,使其在细胞膜上移动,磁聚焦的焦点fB是一对可控脉冲电磁单元的中心位置;
磁聚焦的焦点fB从σ1到σ2的路径为λ1,λ2,...,λi,...,λn的排列组合,可以有多种排列组合,也可以通过多个磁聚焦点移动;排列组合的规则如下:当某个区域电荷过多的时候,以一个坐标位置作为一个干预单位,根据从σ1到σ2的所用干预单位最少的准则确定λ1,λ2,...,λi,...,λn的组合;若出现m个相同长度的干预单位,则可以取m个磁聚焦点fB同时作用在m个相同长度的干预路径;
干预时间持续ΔT后,若兴奋区域信号采集单元电位ek(k=1,2,…,p)电位都小于电位阈值θ时,则停止干扰,否则继续干扰操作。
系统及获取干扰脑电分布的方法
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