Page 79 - 《中国医疗器械杂志》2025年第6期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025年 第49卷 第6期

设 计 与 制 造

值。为降低频谱泄漏的影响，对信号进行加窗处 处，闭眼状态的功率谱密度比睁眼状态高出10 dB
理，这里选用矩形窗。最后，需将频率轴从归一化 左右，这表明刺激器能够有效采集人体的脑电信号。
频率转换为实际频率，以完成对功率谱密度的计算。 4.3 电刺激测试
计算得到的功率谱密度如图10b所示。从图10b 为测试刺激器的脉冲、爆发、变频和时间干涉
可以看到，右腿驱动电路抑制了50 Hz工频干扰和 刺激模式的输出波形，将单路刺激通道接入500 Ω
100 Hz的谐波干扰。 电阻，用示波器观察电阻两端电压波形。由于电阻
再对人体脑电信号进行实测。脑电信号与心电 负载不会引起电压和电流的相位变化，因此电阻两
信号不同，时域特征不明显，属于非稳态随机信 端电压波形即为刺激电流的实际波形。随后，将示
号。因此本研究通过观察眨眼信号以及基于功率谱 波器数据读取到PC机的MATLAB软件中显示。刺
分析睁眼和闭眼状态下的α波8~13 Hz振荡，来验证 激波形如图12所示，图中依次为方波、三角波和正
是否测到脑电信号，测试结果如图11a所示。图11a 弦波；刺激模式如图13所示，图中依次为脉冲、爆
中1.7~3.6 s为睁眼状态，0~1.2 s和4~6 s为闭眼状 发、变频和时间干涉模式。

态，1.2~1.7 s为睁眼动作，3.6~4 s为闭眼动作，在 20
15
睁眼状态下可以观察到明显的眨眼信号。
电压/V 10

0.18
0.16 睁眼 眨眼 闭眼 5
0.14 动作 动作
幅值/mV 0.10 闭眼 睁眼 闭眼 0 0.5 1.0 时间/ms 2.0 2.5 3.0
0.12
1.5
0.08
0.06
0.04
0.02 (a) 方波
−0.02 0 (a) Square wave
0 1.0 1.2 1.7 2.0 2.4 3.0 3.6 4.0 5.0 6.0
时间/s 20
(a) 前额叶EEG实测信号图 15
电压/V 10
(a) Graph of measured prefrontal EEG signal
−5 闭眼 5
功率谱密度/dB −15 0 0.5 1.0 时间/ms 2.0 2.5 3.0
−10
睁眼
1.5
−20
−25
(b) 三角波
−30 (b) Triangular wave
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 20
频率/Hz 15
(b) 睁眼和闭眼时信号功率谱 电压/V 10
(b) Signal power spectrum during eye-opening and eye-closing
5
图11 实测EEG信号和功率谱
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Fig.11 Measured EEG signals and its power spectrum
时间/ms

处理脑电信号时，先采用0.5~40 Hz的四阶巴 (c) 正弦波
(c) Sine wave
特沃斯带通滤波器对信号进行滤波，以去除低频漂
图12 刺激波形
移和高频干扰。滤波后，依据维纳-辛钦定理，通
Fig.12 Stimulus waveform

过计算信号的自相关函数，采用间接法计算功率谱
为了对比测试，本研究选取市面上具有代表性
密度。对脑电信号x(n)（其中 n=0, 1, 2,…, N−1）其 的 耳 迷 走 神 经 刺 激 器 ——瑞 神 安 医 疗 公 司 的
自相关函数 R xx (m)的计算式如下：
tVNS501型号为例。经过测试，EEG-taVNS刺激器
1 ∑ N−1−m
R xx (m) = x(n) x(n+m) (5) 能够产生3种刺激波形，参数调节范围更宽，刺激
N n=0 模式更丰富，输出电流限值更高。续航达114 h，
式中：m是滞后数，取值0≤m≤N−1。接着，根据
满足长时程脑电监测和刺激的使用需求。参数对比
式(6)对自相关函数进行离散傅里叶变换，从而得
结果如表2所示。
到功率谱密度 P xx (k)：
完成刺激器4种模式波形测试后，进行人体耳
∑ N−1
P xx (k) = R xx (m)e − j2πkm/N (6) 迷走神经刺激测试。为激活有髓鞘的传入迷走神经
m=0
[21]
式中：k是频率索引，对应的频率 f k = k f s /N f s 为采 纤维，耳甲腔检测阈限约为0.8 mA 。GERGES
(
[22]
样频率)。最终，将频率轴从归一化转换为实际频 等 研究了109项taVNS临床应用，发现68%的研究
率，以完成对功率谱密度的计算。 刺激幅度在感觉阈限以上和疼痛阈限以下，幅度为
图11b为计算得到的功率谱密度图，显示在10 Hz 0.5~50 mA；74%的研究选择频率为25 Hz或20 Hz；
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