本發(fā)明涉及一種基于功能磁共振的降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋方法和神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

吸煙成癮可以導(dǎo)致多種相關(guān)疾病的患病率的上升。而我國是全球最大的煙草生產(chǎn)和消費國，煙民比例約占全世界吸煙者總數(shù)的三分之一。與其他物質(zhì)依賴類似，吸煙成癮的戒斷率非常低。有調(diào)查顯示超過75％的吸煙者曾嘗試戒煙，但只有3％的戒煙者能夠戒煙成功。對吸煙的強烈渴求是復(fù)吸率高的主要原因。所以有效降低吸煙渴求成為成功戒煙關(guān)鍵。

目前降低吸煙渴求的方法主要為外部給予物質(zhì)，最常見的如中國專利申請92105287.1和201010563074.8中披露的尼古丁貼片、如中國專利申請201330420570.2中披露的電子煙、如中國專利申請03818638.1，201080043603.X，201310393750.5中披露的多種藥物制劑等。近期也有人采用特定食物或飲料以降低渴求，其相關(guān)內(nèi)容在中國專利申請200710057194.9和201010116818.1中披露。

這些方法都有一個共同的特點，需要外來物質(zhì)進入吸煙者體內(nèi)，即侵入式治療。對于吸煙這種常見的并非極端嚴(yán)重的成癮行為，因擔(dān)心侵入式治療有副作用，將無法被戒煙者所接受。因此無任何藥物攝入的認知療法更容易被人所接受。

目前也有一些人進行研究和使用認知療法來幫助戒煙，但由于效果不理想，一般用于藥物治療之外的輔助治療，其相關(guān)內(nèi)容在中國專利申請200510123267.0和01819228.9中披露。效果顯示度差可能是認知療法效果不理想的主要原因，即戒煙者無法得到及時有效的反饋，從而無法根據(jù)效果反饋選擇有效的降低渴求的策略。

此外，大部分現(xiàn)有的降低吸煙渴求的方法的作用機理并不清楚，隨著神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展，越來越多的實驗證據(jù)表明，特定腦區(qū)的活動水平與吸煙渴求水平具有密切關(guān)系。如，島葉被認為涉及“interoception and subjective feeling states”(參考文獻3)；前額葉與渴求的自我控制有關(guān)(參考文獻5)。因此，嘗試調(diào)節(jié)渴求相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)活動水平或許有助于調(diào)控吸煙渴求。

神經(jīng)信號實時反饋，即neurofeedback，就是通過某種技術(shù)將大腦的活動情況實時的呈現(xiàn)給被試者，從而了解自我控制的實時情況，并且通過這樣的訓(xùn)練，提高被試自我控制的能力，從而達到提高某種認知功能或降低某種疾病癥狀的效果。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)信號實時反饋的訓(xùn)練后，正常人可以提高其注意能力，跳舞水平，并且針對某些精神疾病的病人(比如，抑郁癥、焦慮癥等)可以通過提高其自控能力降低病癥，從而達到治療的效果(見2009年Schneider等人的綜述，參考文獻1)?，F(xiàn)在這種神經(jīng)信號實時反饋技術(shù)已經(jīng)在逐步的商業(yè)化。

神經(jīng)信號實時反饋是一種非侵入式技術(shù)，用于降低戒煙者的渴求不必擔(dān)心副作用。同時，神經(jīng)信號實時反饋具有較好的效果顯示度，戒煙者可以根據(jù)有效的反饋，選擇適合自己的有效降低渴求的策略。在神經(jīng)信號實時反饋技術(shù)中，反饋的信號來源是其功能和效果的關(guān)鍵。

在實施本發(fā)明的過程中認識到：與吸煙渴求及調(diào)控關(guān)系最為密切的是兩個腦區(qū)島葉和前額葉(見2009年Azizian等人的，參考文獻2)。其中島葉被認為其主要功能為“interoception and subjective feeling states”(參考文獻3)。島葉受到損傷后，吸煙者會喪失吸煙渴求(參考文獻4)。而前額葉的主要功能之一為控制，特別是針對渴求的自我控制(參考文獻5)。因此，通過神經(jīng)信號實時反饋技術(shù)，提高調(diào)控這兩個腦區(qū)的神經(jīng)活動的能力，將可以幫助吸煙者提高其渴求的自我控制能力，進而幫助戒煙者降低吸煙渴求。

上述參考文獻列舉如下:

1、Schneider F,Backes V,Mathiak K.Brain imaging:on the way toward a therapeutic discipline.Eur Arch Psychiatry Clin Neurosci.2009Suppl 2:S143-7。

2、Azizian A,Monterosso J,O’Neill J,London ED.Magnetic resonance imaging studies of cigarette smoking.Handb Exp Pharmacol.2009,192:113-43。

3、Garavan H.Insula and drug cravings.Brain Struct Funct.2010,214:593-601。

4、Naqvi N,Rudrauf D,Damasio H,Bechara A.Damage to the insula disrupts addiction to cigarette smoking.Science.2007,315:531-4。

5、Hayashi T.The neural mechanisms of cigarette craving and self-control.Brain Nerve.2014,66:33-9。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于功能磁共振的降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋方法和神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)，以輔助吸煙渴求者對于相關(guān)腦區(qū)的感知和控制。

為此，本發(fā)明一方面提供了一種

本發(fā)明通過神經(jīng)信號反饋，幫助吸煙渴求者對于相關(guān)腦區(qū)的感知和控制，進而達到增強吸煙者自控能力，從而降低渴求，達到輔助戒煙的目的。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的用于降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋方法的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋方法的流程圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的用于降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例的用于降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)的處理單元的架構(gòu)圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明一實施例的采用基于功能磁共振的降低吸煙渴求的神經(jīng)信號實時反饋的具體過程的示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一實施例的整個反饋訓(xùn)練過程的示意圖；以及

圖8是根據(jù)本發(fā)明一實施例的神經(jīng)反饋訓(xùn)練的效果圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

圖1至圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例。

如圖1所示，用于降低吸煙渴求的神經(jīng)信號反饋方法包括以下步驟：

采集步驟S11，用于對吸煙者的兩島葉和前額葉的神經(jīng)活動信號進行實時采集；

處理步驟S13，用于對采集的神經(jīng)活動信號進行實時分析，以識別吸煙渴求信號和自我控制信號及其強弱；

輸出步驟S15，用于將自我控制信號、吸煙渴求信號及其強弱配置為可視化信號、向吸煙者或相關(guān)者展示。

在本發(fā)明中，利用兩島葉的神經(jīng)活動信號識別吸煙渴求信號及其強弱，利用前額葉的神經(jīng)活動信號識別自動控制信號及其強弱，并將二者配置為可視化信號展示給吸煙者或相關(guān)者，從而實現(xiàn)了吸煙渴求者或他人對于吸煙渴求者的相關(guān)腦區(qū)的真實感知的目的。從采集到可視化反饋的整個時間以不超過2秒為宜。

在步驟S11中，可選地，利用功能磁共振掃描儀實時采集吸煙渴求者的兩島葉和前額葉的神經(jīng)活動信號。

在步驟S13中，可選地，處理步驟包括：對采集的神經(jīng)活動信號進行小波分析以提取各特征量；以及利用經(jīng)過樣本訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來識別吸煙渴求信號和自動控制信號：其中，所述特征量作為輸入向量，所述吸煙渴求信號和所述自我控制信號作為輸出向量。

在步驟S15中，上述吸煙渴求信號、所述自我控制信號及其強弱作為顯示屏上的帶顏色的指示條展現(xiàn)給吸煙渴求者，例如指示條的長度代表信號強弱，指示條的顏色代表信號類型，即自我控制信號和吸煙渴求信號，當(dāng)然也可以做成指示燈或者其他的可視化顯示方法，以被吸煙渴求者或訓(xùn)練醫(yī)師的感官得知。

在一實施例中，如圖2所示，上述神經(jīng)信號反饋方法還包括替代輸出步驟S15的訓(xùn)練反饋步驟S17，用于在降低吸煙渴求訓(xùn)練中將自我控制信號、吸煙渴求信號及其強弱配置為可視化對抗游戲中對抗雙方的動態(tài)對抗進程。

可選地，上述游戲為飛船打隕石游戲，對抗雙方為飛船和隕石，其中，所述自我控制信號的強弱對應(yīng)于飛機的隕石破壞力大小，所述吸煙渴求信號的強弱對應(yīng)于隕石的數(shù)量多少。

在本實施例中，利用思維訓(xùn)練步驟，有助于吸煙渴求者實時直觀地對于相關(guān)腦區(qū)的感知和控制，也能夠反映出具體地思維訓(xùn)練方法是否有成效，進而為改進思維訓(xùn)練方法提供依據(jù)。在其他實施例中，本步驟S17與步驟S15同時并存，一方面為醫(yī)師提供檢測結(jié)果，另一方便向吸煙渴求者動態(tài)展示。

如圖3所示，神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)包括：采集單元10，用于對吸煙者的兩島葉和前額葉的神經(jīng)活動信號進行實時采集；處理單元20，用于對所述采集單元采集的神經(jīng)活動信號進行實時分析，以識別吸煙渴求信號和自我控制信號；以及輸出單元30，用于將所述處理單元提供的自我控制信號、吸煙渴求信號的強弱配置為可視化信號。

在一實施例中，神經(jīng)信號反饋系統(tǒng)包括：采集單元10，用于對吸煙者的兩島葉和前額葉的神經(jīng)活動信號進行實時采集；處理單元20，用于對所述采集單元采集的神經(jīng)活動信號進行實時分析，以識別吸煙渴求信號和自我控制信號；以及訓(xùn)練反饋單元40，用于在降低吸煙渴求訓(xùn)練中將可視化信號實時展現(xiàn)為游戲中對抗雙方的動態(tài)進程。

在本發(fā)明中，采集單元10優(yōu)選為功能磁共振掃描儀。

在一實施例中，如圖5所示，處理單元20包括小波分析模塊21，用于對采集的神經(jīng)活動信號進行小波分析以提取各特征量；以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別模塊22，利用經(jīng)過樣本訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來識別吸煙渴求信號和自動控制信號：其中，所述特征量作為輸入向量，所述吸煙渴求信號和所述自我控制信號作為輸出向量。

本發(fā)明的基于功能磁共振的神經(jīng)信號反饋方法和系統(tǒng)，在降低吸煙渴求上的應(yīng)用是生物醫(yī)學(xué)工程類的臨床應(yīng)用。其采用磁共振掃描儀采集來自島葉和前額葉的信號，并通過游戲的形式實時地反饋給吸煙患者，從而增強吸煙成癮者對于相關(guān)腦區(qū)的感知和控制，達到增強吸煙者自控能力，降低渴求，從而輔助戒煙的目的。

利用本發(fā)明設(shè)備(參見圖4)自控訓(xùn)練持續(xù)2-10天，每天持續(xù)1-5次，每次15分鐘左右。初步實驗結(jié)果證明了該訓(xùn)練技術(shù)能增強吸煙者的自控能力。相對于其他戒煙手段，本技術(shù)安全、無創(chuàng)、無副作用。

其中，圖6介紹了采用基于功能磁共振的降低吸煙渴求的神經(jīng)信號實時反饋的具體過程。

戒煙者位于功能磁共振儀中，通過主觀操控(并非手動操控)完成飛船打隕石游戲，同時掃描戒煙者的大腦，并利用磁共振數(shù)據(jù)實時采集模塊和實時處理模塊將戒煙者的島葉、前額葉或其相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)活動信號轉(zhuǎn)換為游戲操作指令。把有利于降低渴求的神經(jīng)活動信號轉(zhuǎn)換為飛船打更多的隕石指令，相反的神經(jīng)活動信號轉(zhuǎn)換為打更少的隕石指令，并在屏幕上顯示。

整個過程中只要求戒煙者嘗試各種方法努力獲得盡可能高的游戲分?jǐn)?shù)(打盡可能多的隕石)。通過這種主觀調(diào)控(嘗試各種策略獲取更高的游戲分?jǐn)?shù))和客觀反饋(飛船打隕石成績)相結(jié)合的過程，調(diào)控戒煙相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)活動信號，從而成功降低吸煙渴求。

圖7介紹了整個反饋訓(xùn)練的過程。訓(xùn)練可以持續(xù)2-10天。每天持續(xù)1-5次。每次持續(xù)15分鐘左右。其中每次訓(xùn)練由4個“休息-提高渴求-休息-降低渴求”的循環(huán)過程組成。其中每天的訓(xùn)練開始前，允許吸煙者抽一支煙，以降低渴求程度，進而降低訓(xùn)練難度。此外，在每天訓(xùn)練的開始和結(jié)束都要求吸煙者報告吸煙渴求的自我控制能力，以檢驗訓(xùn)練的效果。

相對于藥物療法，主要優(yōu)點為無外加藥物進入人體，易被戒煙者所接受。相對于傳統(tǒng)的認知療法，主要優(yōu)點為通過實時反饋信號訓(xùn)練，在其幫助下，戒煙者可以隨時得到相關(guān)神經(jīng)信號的變化信息，及時了解控制效果并能相應(yīng)的改變控制策略，從而提高降低渴求的效果。

圖8a-8c介紹了我們嘗試將此技術(shù)應(yīng)用到31名吸煙者中。圖8a至圖8c中，縱坐標(biāo)是信號(WS-WN)-(SS-SN)，橫坐標(biāo)1和2是在訓(xùn)練階段1的前后報告，3和4是在訓(xùn)練階段2的前后報告(WS:watch smoking picture,WN:watch neutral picture；SS:suppress smoking picture,SN:suppress neutral picture)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過2天，每天4次的神經(jīng)信號反饋訓(xùn)練，在每天訓(xùn)練前后我們都測量了吸煙者自我渴求控制的能力。我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過神經(jīng)信號實時反饋訓(xùn)練的吸煙者(反饋的信號來源于島葉或前額葉或相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，自我渴求控制能力得到顯著的增強(圖8a)，而對照組被試(反饋信號來源于無關(guān)腦區(qū)，即hand group(圖8b)，或反饋非神經(jīng)信號，即visual組)的能力沒有顯著性的增強(圖8c)，這個結(jié)果初步說明通過我們設(shè)計的神經(jīng)信號反饋技術(shù)可以提高吸煙者自我渴求的控制能力，進而達到降低吸煙渴求的目的。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。