本發(fā)明屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，具體涉及一種基于磁粒子磁熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人口老齡化、生活壓力增加以及外界環(huán)境變化，神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病、藥物難治性癲癇和精神疾病等腦功能性疾病的發(fā)病率持續(xù)上升，已成為全球主要的致殘和致死原因之一。這類疾病不僅給個(gè)人和社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)，其治療方法和作用機(jī)制的研究也成為亟待解決的科學(xué)難題。

2、在此背景下，神經(jīng)調(diào)控作為一種基于神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的前沿領(lǐng)域，發(fā)展迅速。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)利用植入或非植入性手段，通過物理(如電、磁、光、超聲等)或化學(xué)方式對神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行興奮、抑制或調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)性疾病的治療、患者生活質(zhì)量的提高以及神經(jīng)疾病機(jī)制的研究，從而推動(dòng)相關(guān)治療方法的創(chuàng)新。

3、磁粒子神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是一種微創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控方法，其通過將磁粒子(通常為超順磁性納米粒子，superparamagnetic?iron?oxide?nanoparticle，spio)注射至調(diào)控靶點(diǎn)，利用外界磁場產(chǎn)生的磁熱效應(yīng)或磁力效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)活性的調(diào)節(jié)。研究表明，神經(jīng)活性受到其環(huán)境溫度的顯著影響。通過基因工程技術(shù)，使神經(jīng)元細(xì)胞表達(dá)溫度門控trpv1離子通道，利用局部熱效應(yīng)誘導(dǎo)ca2+通過trpv1離子通道流入神經(jīng)元，從而引發(fā)神經(jīng)元去極化并產(chǎn)生動(dòng)作電位。這表明，通過精確控制局部溫度，磁熱效應(yīng)能夠有效調(diào)控神經(jīng)活性，為神經(jīng)疾病的治療及發(fā)病機(jī)制研究提供了新方法和新思路。

4、在神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中，閉環(huán)控制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，特別是在基于溫度的神經(jīng)調(diào)控中，其對于系統(tǒng)的安全性和有效性至關(guān)重要。研究表明，目標(biāo)神經(jīng)元對溫度變化高度敏感，溫度升高一般會(huì)增強(qiáng)神經(jīng)活動(dòng)，而溫度偏離安全范圍可能導(dǎo)致調(diào)控失敗，甚至對神經(jīng)組織造成不可逆的損傷。由于不同個(gè)體和調(diào)控部位對溫度的耐受性和響應(yīng)存在差異，實(shí)時(shí)監(jiān)測靶點(diǎn)溫度并動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱參數(shù)成為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的必要條件。閉環(huán)控制通過實(shí)時(shí)溫度反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整外部加熱參數(shù)，確保靶點(diǎn)溫度始終維持在安全且有效的范圍內(nèi)，從而顯著提升神經(jīng)調(diào)控的安全性、穩(wěn)定性和有效性。

5、為構(gòu)建基于磁粒子磁熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)，磁-熱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)通常分為兩個(gè)工作模式：加熱模式和測量模式。在測量模式下，傳統(tǒng)的磁粒子測溫方法通過磁粒子的磁矩在交變磁場激勵(lì)下的弛豫現(xiàn)象推算環(huán)境溫度。具體而言，磁粒子在不同溫度下，其弛豫導(dǎo)致的磁矩偏轉(zhuǎn)延遲不同，從而引起磁粒子響應(yīng)信號(hào)的諧波比例變化?；诖?，通過測量諧波比值可以推算溫度。

6、然而，現(xiàn)有的基于諧波比值的溫度測量方法在精度和準(zhǔn)確度上存在明顯不足，特別是在神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用中，當(dāng)需要在較小溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度溫度測量和精準(zhǔn)調(diào)控時(shí)，該方法無法滿足實(shí)際需求。這種不足限制了磁粒子磁熱效應(yīng)在閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的的問題，本發(fā)明提供一種基于磁粒子磁熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)，在原有激勵(lì)磁場的基礎(chǔ)上引入偏置磁場，通過測量溫度引起的磁粒子諧波相位偏轉(zhuǎn)與偏置磁場值的變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對磁粒子周圍溫度的高精度測量?；诖?，系統(tǒng)能夠?qū)囟冗M(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過閉環(huán)算法，自適應(yīng)調(diào)節(jié)加熱參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)閉環(huán)控制，滿足神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)對高精度溫度控制的需求。

2、一種基于磁粒子磁熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)，包括：

3、磁發(fā)生模塊，用于基于產(chǎn)生的磁場加熱并激勵(lì)注入神經(jīng)調(diào)控靶區(qū)的磁粒子，獲得磁粒子響應(yīng)信號(hào)；

4、磁粒子信號(hào)接收模塊，用于接收所述磁粒子響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算磁粒子周圍環(huán)境溫度；

5、閉環(huán)控制模塊，用于基于計(jì)算的所述磁粒子周圍環(huán)境溫度以及預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度，自適應(yīng)調(diào)節(jié)加熱參數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)神經(jīng)溫度調(diào)控。

6、優(yōu)選的，所述磁發(fā)生模塊包括：信號(hào)發(fā)生器，與所述信號(hào)發(fā)生器連接的第一功率放大器以及第二功率放大器，與所述第一功率放大器連接的激勵(lì)線圈以及與所述第二功率放大器連接的偏置磁場線圈；其中，

7、信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生加熱磁粒子所需的高頻正弦信號(hào)、探測溫度所需的低頻正弦信號(hào)和直流信號(hào)；

8、第一功率放大器，用于放大所述高頻正弦信號(hào)以及所述低頻正弦信號(hào)；

9、激勵(lì)線圈，用于基于放大后的所述高頻正弦信號(hào)產(chǎn)生高頻正弦電流，并基于所述高頻正弦電流產(chǎn)生高頻正弦交變磁場；基于放大后的所述低頻正弦信號(hào)產(chǎn)生低頻正弦電流，并基于所述低頻正弦電流，產(chǎn)生低頻正弦交變磁場；

10、第二功率放大器，用于放大所述直流信號(hào)；

11、偏置磁場線圈，用于基于放大后的所述直流信號(hào)，產(chǎn)生直流電流，并基于所述直流電流，產(chǎn)生偏置磁場。

12、優(yōu)選的，所述磁發(fā)生模塊中，

13、所述高頻正弦交變磁場用于通過磁熱效應(yīng)加熱磁粒子及周圍神經(jīng)組織；

14、所述低頻正弦交變磁場用于激勵(lì)磁粒子磁矩偏轉(zhuǎn)，獲得磁粒子響應(yīng)信號(hào)；

15、所述偏置磁場，用于在磁粒子磁矩偏轉(zhuǎn)時(shí)施加。

16、優(yōu)選的，所述磁粒子信號(hào)接收模塊包括：依次連接的補(bǔ)償線圈、接收線圈以及數(shù)據(jù)采集單元；

17、接收線圈，用于探測所述磁粒子響應(yīng)信號(hào)；

18、補(bǔ)償線圈，用于抵消系統(tǒng)中的饋通信號(hào)；其中，所述饋通信號(hào)與所述磁粒子響應(yīng)信號(hào)混疊在一起；

19、數(shù)據(jù)采集單元，用于采集所述接收線圈探測的磁粒子響應(yīng)信號(hào)。

20、優(yōu)選的，所述激勵(lì)線圈、所述接收線圈以及所述補(bǔ)償線圈為共軸同心螺線管結(jié)構(gòu)；所述偏置磁場線圈為亥姆霍茲線圈；

21、其中，所述偏置磁場線圈置于所述激勵(lì)線圈上下兩端；

22、所述接收線圈和所述補(bǔ)償線圈上下分離內(nèi)嵌于所述激勵(lì)線圈中。

23、優(yōu)選的，所述閉環(huán)控制模塊包括：

24、執(zhí)行器，以及分別與執(zhí)行器連接的運(yùn)算器以及用戶界面單元；所述運(yùn)算器與所述數(shù)據(jù)采集單元連接；其中，

25、運(yùn)算器，用于基于所述磁粒子響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算磁粒子周圍環(huán)境溫度，并基于數(shù)學(xué)模型對計(jì)算的磁粒子周圍環(huán)境溫度以及預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度進(jìn)行運(yùn)算，獲得控制參數(shù)；

26、執(zhí)行器，與所述信號(hào)發(fā)生器連接，用于基于所述控制參數(shù)，調(diào)節(jié)所述加熱參數(shù)；

27、用戶界面單元，用于設(shè)置所述預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度，并進(jìn)行參數(shù)可視化。

28、優(yōu)選的，所述數(shù)學(xué)模型公式如下：

29、

30、其中，an(hdc)是第n次諧波復(fù)數(shù)隨偏置磁場的變化，t為溫度，m'(hdc)為磁粒子磁矩響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，即接收線圈測得的磁粒子響應(yīng)信號(hào)，un-1是第二類切比雪夫多項(xiàng)式，hdc為偏置磁場幅值，hac為低頻正弦交變磁場幅值。

31、優(yōu)選的，所述閉環(huán)控制模塊內(nèi)置pid控制模型，所述pid控制模型的表達(dá)式如下：

32、

33、其中，u(t)是pid控制模型的輸出e(t)是控制偏差，kp為比例增益系數(shù)，ki為積分增益系數(shù)，kd為微分增益系數(shù)。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

35、本發(fā)明針對現(xiàn)有磁熱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)溫度控制不精準(zhǔn)、調(diào)控精度有限的問題，提出了一種創(chuàng)新性的閉環(huán)磁熱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)磁熱調(diào)控系統(tǒng)，本發(fā)明在技術(shù)架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，首次引入磁粒子的在體測溫模式，實(shí)現(xiàn)對磁粒子周圍溫度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測。為提高在體測溫模式下的溫度測量精度，本發(fā)明創(chuàng)新性地結(jié)合偏置磁場與激勵(lì)磁場，通過探測磁粒子響應(yīng)信號(hào)諧波相位偏轉(zhuǎn)時(shí)的偏置磁場值，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測溫。偏置磁場的引入使磁粒子的磁矩響應(yīng)信號(hào)呈現(xiàn)非對稱性，從而導(dǎo)致磁粒子響應(yīng)信號(hào)的諧波相位發(fā)生突變。當(dāng)偏置磁場強(qiáng)度達(dá)到特定閾值時(shí)，諧波相位會(huì)出現(xiàn)突變，而該臨界偏置磁場值由磁粒子的弛豫特性決定。由于磁粒子弛豫特性與周圍溫度密切相關(guān)，通過精確測量相位突變對應(yīng)的臨界偏置磁場值，可準(zhǔn)確反映磁粒子周圍環(huán)境的溫度變化。相比傳統(tǒng)僅使用激勵(lì)磁場的磁粒子測溫方法，該方法顯著提升了測溫的精準(zhǔn)度和可靠性，為磁熱神經(jīng)調(diào)控的精準(zhǔn)實(shí)施提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。系統(tǒng)將精準(zhǔn)測得的磁粒子溫度實(shí)時(shí)反饋至閉環(huán)控制模塊，并通過內(nèi)置算法自適應(yīng)調(diào)控加熱參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)磁熱神經(jīng)調(diào)控。

36、附圖說明

37、為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

38、圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基于磁粒子磁熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

39、圖2為磁場發(fā)生模塊中激勵(lì)線圈、接收線圈、補(bǔ)償線圈和偏置磁場線圈的結(jié)構(gòu)剖面圖；

40、圖3為基于磁粒子磁熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)的工作流程圖。