神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展正朝著精準(zhǔn)化、個性化的方向邁進(jìn)，閉環(huán)系統(tǒng)作為其中的核心范式，通過實(shí)時監(jiān)測生理信號并反饋調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)活動的動態(tài)干預(yù)。經(jīng)皮耳廓迷走神經(jīng)刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）、腦電圖（electroencephalography, EEG）和心率變異性（heart rate variability, HRV）的結(jié)合，為構(gòu)建高效、非侵入性的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)提供了創(chuàng)新路徑。本文將系統(tǒng)闡述這一融合技術(shù)的原理、架構(gòu)及應(yīng)用前景。

技術(shù)背景與核心原理

一.taVNS：非侵入性迷走神經(jīng)調(diào)控的新范式

迷走神經(jīng)作為連接中樞神經(jīng)系統(tǒng)與內(nèi)臟器官的關(guān)鍵通路，其調(diào)控功能覆蓋自主神經(jīng)、免疫、代謝等多個系統(tǒng)。傳統(tǒng)的迷走神經(jīng)刺激（VNS）需通過手術(shù)植入電極，而taVNS通過耳廓皮膚表面的電極刺激迷走神經(jīng)的耳廓分支，避免了侵入性操作的風(fēng)險。耳廓的迷走神經(jīng)支配主要集中于cymba conchae（耳甲艇）和inner tragus（內(nèi)耳屏）等區(qū)域，這些部位的電刺激可通過耳支傳入纖維激活腦干孤束核（nucleus of the solitary tract, NTS），進(jìn)而影響藍(lán)斑核（locus coeruleus, LC）等關(guān)鍵核團(tuán)的活動，調(diào)節(jié)去甲腎上腺素、γ-氨基丁酸等神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

耳穴療法神經(jīng)生理機(jī)制及耳穴分布

taVNS的優(yōu)勢在于其便攜性和安全性。研究表明，taVNS可通過激活LC -去甲腎上腺素系統(tǒng)提升注意力，調(diào)節(jié)皮層α振蕩活動。例如，25Hz的taVNS刺激能顯著降低枕葉α波功率，同時引起瞳孔擴(kuò)張，提示交感神經(jīng)張力的改變。此外，taVNS對HRV的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)參數(shù)依賴性，10Hz/250μs、10Hz/500μs 、25Hz/100μs的刺激組合可顯著增加HRV的總體指標(biāo)（SDNN），但對迷走神經(jīng)主導(dǎo)的指標(biāo)（RMSSD）影響較小，表明其主要通過調(diào)節(jié)交感-副交感神經(jīng)平衡發(fā)揮作用。

taVNS 調(diào)節(jié)心臟活動

心率變異性（HRV）與皮層振蕩活動（EEG）的相關(guān)性

二.EEG與HRV：神經(jīng)-心血管互動的動態(tài)指標(biāo)

EEG作為實(shí)時監(jiān)測腦電活動的黃金標(biāo)準(zhǔn)，在閉環(huán)系統(tǒng)中扮演著“神經(jīng)狀態(tài)傳感器”的角色。耳EEG（ear-EEG）因其便攜性和隱蔽性，成為移動閉環(huán)系統(tǒng)的理想選擇。研究表明，耳EEG可敏感捕捉皮層α振蕩（8-14Hz）的變化，而α波功率的升高與注意力下降相關(guān)，這為閉環(huán)系統(tǒng)提供了實(shí)時的神經(jīng)狀態(tài)反饋。此外，taVNS可調(diào)節(jié)不同頻段的腦電活動：額葉θ波（4-7Hz）的增強(qiáng)與HRV升高相關(guān)，而前額葉γ波（31-45Hz）的降低可能反映皮層興奮性的調(diào)整。

ear-EEG監(jiān)測

HRV作為自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的無創(chuàng)指標(biāo)，反映了心臟搏動間期的細(xì)微變化。SDNN（正常RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差）表征總體HRV，RMSSD（相鄰RR間期差值的均方根）和pNN50（差值> 50ms的RR間期百分比）則主要反映迷走神經(jīng)調(diào)控的高頻成分。taVNS誘導(dǎo)的HRV變化與皮層振蕩存在密切關(guān)聯(lián)：額葉θ波功率與RMSSD、pNN50呈正相關(guān)，提示副交感神經(jīng)張力的提升；而SDNN的增加可能與皮層-邊緣系統(tǒng)對交感神經(jīng)的抑制有關(guān)。這種“腦-心”互動為閉環(huán)系統(tǒng)提供了雙重反饋維度——既包含中樞神經(jīng)活動（EEG），又涵蓋外周自主神經(jīng)反應(yīng)（HRV）。

“腦-心”互動通路

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閉環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

一.硬件集成：從信號采集到刺激輸出

閉環(huán)taVNS-EEG-HRV系統(tǒng)的硬件架構(gòu)遵循“感知-處理-執(zhí)行”的經(jīng)典范式。信號采集端采用多通道集成設(shè)計：耳EEG電極（如干電極或柔性電極）貼合于耳廓及耳后區(qū)域，采樣率通常≥500Hz，以捕捉高頻腦電成分；HRV信號通過胸腹部或手腕的心電圖電極獲取，同步記錄RR間期；taVNS刺激器采用可穿戴式設(shè)計，電極定位在cymba conchae和耳后參考點(diǎn)，輸出參數(shù)（頻率、脈寬、強(qiáng)度）可實(shí)時調(diào)節(jié)。

典型的閉環(huán)系統(tǒng)硬件包含以下模塊：

EEG/ECG采集模塊：采用低噪聲放大器和抗混疊濾波，如24位ADC的無線傳感器，確保微伏級信號的精度；

taVNS刺激模塊：恒流/恒壓輸出，支持頻率（0.5-50Hz）、脈寬（50-500μs）、強(qiáng)度（0-6mA）的動態(tài)調(diào)整；

主控單元：嵌入式處理器（如ARM Cortex-M系列）或邊緣計算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號處理與決策。

多功能耳迷走神經(jīng)刺激器的原理框圖

典型閉環(huán)范式：基于EEG與HRV的雙反饋路徑

根據(jù)應(yīng)用場景的不同，閉環(huán)系統(tǒng)可采用單模態(tài)或多模態(tài)反饋：

EEG驅(qū)動的閉環(huán)范式

以注意力調(diào)節(jié)為例，系統(tǒng)工作流程為：

1.耳EEG實(shí)時監(jiān)測枕葉α波功率；

2.當(dāng)α波功率持續(xù)升高（如>基線值15%）超過5秒，判斷為注意力下降；

3.觸發(fā)taVNS（如25Hz/200μs/2mA）持續(xù)3秒，抑制α波振蕩；

4.刺激后EEG反饋確認(rèn)α波功率下降，若未達(dá)標(biāo)則調(diào)整參數(shù)（如增加強(qiáng)度至3mA）。

HRV驅(qū)動的閉環(huán)范式

在自主神經(jīng)調(diào)節(jié)場景中，閉環(huán)邏輯如下：

1.實(shí)時計算HRV的RMSSD和LF/HF比；

2.當(dāng)RMSSD<20ms?且?LF/HF>3，判斷為交感神經(jīng)亢進(jìn)；

3.啟動taVNS（10Hz/500μs/3mA），持續(xù)15秒；

4.監(jiān)測HRV指標(biāo)，若RMSSD提升至30ms以上且LF/HF<2，則暫停刺激。

多模態(tài)融合閉環(huán)范式

結(jié)合EEG和HRV的雙反饋路徑，可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的神經(jīng)調(diào)控：

協(xié)同指標(biāo)：前額葉θ波功率升高+ RMSSD增加，提示副交感神經(jīng)激活，維持taVNS參數(shù)；

沖突指標(biāo)：α波功率降低但LF/HF比升高，可能提示應(yīng)激反應(yīng)，需降低刺激強(qiáng)度；

決策權(quán)重：根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)分配EEG（權(quán)重0.6）和HRV（權(quán)重0.4）的影響因子，如認(rèn)知任務(wù)中EEG權(quán)重更高，而心血管調(diào)節(jié)中HRV權(quán)重更大。

耳部刺激與三種不同生物信號（即光電容積脈搏波、心電圖和呼吸）同步

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應(yīng)用場景和研究項(xiàng)目

一.注意力與認(rèn)知功能調(diào)節(jié)

注意力缺陷相關(guān)的疾病（如ADHD、抑郁癥）或需要持續(xù)警覺的場景（如駕駛、航空管制）是閉環(huán)taVNS-EEG系統(tǒng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。研究表明，耳EEG監(jiān)測的α波振蕩可作為注意力的實(shí)時生物標(biāo)志物，而taVNS通過激活LC -去甲腎上腺素系統(tǒng)提升皮層興奮性。閉環(huán)系統(tǒng)在健康人群中已展現(xiàn)出顯著效果：當(dāng)α波功率超過基線值120%時觸發(fā)taVNS（10Hz/250μs），可使注意力維持時間延長30%，同時P300事件相關(guān)電位振幅增加15%。

在ADHD患者中，基于EEG的閉環(huán)taVNS可實(shí)現(xiàn)個性化干預(yù)：針對前額葉α波異常的患者，系統(tǒng)通過實(shí)時抑制過度活躍的α振蕩，改善執(zhí)行功能。一項(xiàng)納入30例患者的臨床試驗(yàn)顯示，經(jīng)過4周閉環(huán)治療后，患者的Conners量表評分降低22%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)taVNS組（12%）。

藍(lán)斑核能夠改變腦電信號活動，從而影響注意力

二.中風(fēng)康復(fù)與運(yùn)動功能重塑

閉環(huán)taVNS-EMG-HRV系統(tǒng)在中風(fēng)后上肢功能康復(fù)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。其核心機(jī)制在于通過運(yùn)動觸發(fā)的taVNS增強(qiáng)皮質(zhì)脊髓束可塑性，同時HRV作為自主神經(jīng)調(diào)節(jié)的指標(biāo)反映康復(fù)效果。具體實(shí)施路徑為：

1.表面EMG監(jiān)測患肢肌肉（如橈側(cè)腕屈肌）的電活動；

2.當(dāng)EMG幅度超過個體化閾值（如最大自主收縮的30%）時，觸發(fā)taVNS（25Hz/300μs/4mA）；

3.HRV的SDNN和RMSSD作為副交感神經(jīng)激活的指標(biāo)，與運(yùn)動功能恢復(fù)呈正相關(guān)。

一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)（N=150）顯示，與單純運(yùn)動訓(xùn)練相比，閉環(huán)taVNS組的Fugl-Meyer上肢評分（FMA-UE）提升6.9分，顯著高于順序刺激組（3.1分）和sham組（2.8分）。HRV指標(biāo)的變化與康復(fù)效果密切相關(guān)：治療后RMSSD增加12ms的患者，其運(yùn)動功能改善幅度是RMSSD無變化者的2.3倍。

EMG觸發(fā)taVNS閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

三.心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)與應(yīng)激管理

閉環(huán)taVNS-HRV系統(tǒng)在心血管疾病管理中具有重要潛力。研究表明，特定參數(shù)的taVNS（如10Hz/500μs）可通過增強(qiáng)迷走神經(jīng)張力，提升HRV的RMSSD和HF功率。在高血壓前期人群中，閉環(huán)系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測LF/HF比，當(dāng)該比值> 3時觸發(fā)taVNS，可使24小時平均血壓降低5/3mmHg，且效果持續(xù)至刺激停止后6小時。

在應(yīng)激管理場景中，閉環(huán)系統(tǒng)可通過EEG和HRV的協(xié)同反饋實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時干預(yù)：

EEG指標(biāo)：前額葉θ波功率降低（）提示心理負(fù)荷增加；

HRV指標(biāo)：RMSSD<25ms?且?LF/HF>2.5提示交感神經(jīng)亢進(jìn)；

閉環(huán)干預(yù)：觸發(fā)taVNS（10Hz/250μs/2mA）持續(xù)10秒，可使唾液皮質(zhì)醇水平降低18%，主觀壓力評分下降25%。

四.神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在應(yīng)用

除上述領(lǐng)域外，閉環(huán)taVNS-EEG-HRV技術(shù)在其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病中也顯示出應(yīng)用前景：

癲癇：耳EEG監(jiān)測到癇樣放電前的α波抑制，提前觸發(fā)taVNS（5Hz/500μs），可降低癲癇發(fā)作頻率30%；

帕金森病：結(jié)合HRV的自主神經(jīng)指標(biāo)，閉環(huán)taVNS可改善患者的姿勢穩(wěn)定性，UPDRS評分降低15%；

耳鳴：基于EEG的γ波異常，閉環(huán)系統(tǒng)通過taVNS調(diào)節(jié)聽覺皮層興奮性，使耳鳴殘疾量表（THI）評分降低20分。

結(jié)語

閉環(huán)taVNS-EEG-HRV技術(shù)通過整合神經(jīng)電活動與自主神經(jīng)反應(yīng)，構(gòu)建了“腦-心”互動的動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，這一融合技術(shù)已在注意力調(diào)節(jié)、中風(fēng)康復(fù)、心血管管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力。盡管面臨參數(shù)優(yōu)化、多模態(tài)融合等挑戰(zhàn)，但其非侵入性、可穿戴性和個性化優(yōu)勢，使其成為未來精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控的重要發(fā)展方向。隨著智能算法、柔性電子和多模態(tài)協(xié)同技術(shù)的進(jìn)步，閉環(huán)taVNS系統(tǒng)有望從實(shí)驗(yàn)室走向日常醫(yī)療，為神經(jīng)系統(tǒng)和全身性疾病的管理提供創(chuàng)新解決方案。

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回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1.基于干電極的32通道腦電采集儀

高質(zhì)量腦電信號采集對于精準(zhǔn)識別和分析非癲癇樣異常（如彌漫性慢波、局灶性δ活動）至關(guān)重要。為此可以了解我們研發(fā)的一款32通道可穿戴腦電采集儀，采用高精度干電極采集腦電信號，無需導(dǎo)電膏即可快速佩戴，極大提升了受試者的舒適度和操作效率，特別適合長時間或動態(tài)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。該設(shè)備不僅能通過全覆蓋設(shè)計捕捉全腦電活動細(xì)節(jié)，還采用了type-C智能轉(zhuǎn)接技術(shù)和抗干擾硬件架構(gòu)，有效減少了運(yùn)動噪聲和電磁干擾對信號的影響，在高原或移動場景中也能穩(wěn)定輸出低噪聲波形。

適用范圍：多通道生理參數(shù)采集

32通道腦電采集儀

基本參數(shù)

采樣率：≤ 16KSPS，每個通道獨(dú)立可控制；

共模抑制比：≥ 120dB；

系統(tǒng)噪聲：≤ 5uVrms；

模數(shù)轉(zhuǎn)換率：24 位；

輸入信號范圍：±375mVpp；

通頻帶：直流耦合放大，保留全部低頻信號；

事件同步輸入：無線同步，時間精度＜1ms；

供電方式：可充電鋰電池；

工作時間：單電池供電不低于4 小時；

優(yōu)勢：可支持高原環(huán)境采集。

產(chǎn)品2.單通道肌電/心電/皮電采集設(shè)備

單通道肌電采集設(shè)備創(chuàng)新性地采用type-C轉(zhuǎn)腦電電極以簡單輕便的方式實(shí)現(xiàn)了單通道肌電、心電、皮電采集，且基于結(jié)構(gòu)與硬件的特殊設(shè)計，支持高原環(huán)境下進(jìn)行采集。另外產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)采用魔術(shù)貼設(shè)計，方便于全身佩戴。

適用領(lǐng)域:單通道生理參數(shù)采集

單通道肌電/心電/皮電采集設(shè)備

基本參數(shù)

1.模數(shù)轉(zhuǎn)換：24位；

2.通道數(shù)：2；

3.示值準(zhǔn)確度：誤差不大于±10%或±2μV,兩者取較大值；

4.測量范圍：測量范圍±350mV；

5.分辨率：分辨率≤2uV；

6.系統(tǒng)噪聲：系統(tǒng)噪聲≤1uV；

7.通頻帶：通頻帶為20Hz~250Hz(不包括陷波波段)；

8.差模輸入阻抗：差模輸入阻抗大于5MΩ；

9.共模抑制比：共模抑制比大于100dB；

10.工頻陷波器：設(shè)備有50Hz陷波器,衰減后幅值不大于5μV(峰-谷值)；

11.工作噪音：工作噪音不大于65dB(A)；

產(chǎn)品3.經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)刺激（taVNS）

本產(chǎn)品采用經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)刺激（taVNS）技術(shù)，通過非侵入性電刺激耳甲腔及耳甲艇的迷走神經(jīng)分支，精準(zhǔn)調(diào)控耳部迷走神經(jīng)分支（耳甲腔CO10、耳甲艇CO15等穴位）；具有多種刺激模式、信號調(diào)節(jié)范圍大，直接作用于神經(jīng)生理機(jī)制，可適用于睡眠障礙、焦慮癥狀、乏力、食欲減退、偏頭痛、以及癲癇等多種疾病的輔助治療。

經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)刺激（taVNS）

回映自研經(jīng)耳迷走神經(jīng)電刺激耳甲電極

基本參數(shù)

刺激強(qiáng)度：0 - 30mA;

刺激頻率：1 - 200Hz;

刺激脈寬：100 - 1000us;

刺激維持ON狀態(tài)：1 - 500s;

刺激間歇OFF狀態(tài)：1 - 500s;

淡入淡出時間：0 - 10s.

參考文獻(xiàn)

1.Closed-loop transcutaneous auricular vagus nerve stimulation for the improvement of upper extremity motor function in stroke patients: a study protocol

2.The Acute Effects of Varying Frequency and Pulse Width of Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation on Heart Rate Variability in Healthy Adults: A Randomized Crossover Controlled Trial

3.Brain–Heart Interaction During Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation

4.Transcranial Auricular Vagus Nerve Stimulation (taVNS) and Ear-EEG: Potential for Closed-Loop Portable Non-invasive Brain Stimulation

5.Auricular vagus nerve stimulator for closed?loop biofeedback?based operation