闭环经皮耳廓迷走神经刺激（taVNS）与 EEG、HRV 的技术融合

 

 

神经调控技术的发展正朝着精准化、个性化的方向迈进，闭环系统作为其中的核心范式，通过实时监测生理信号并反馈调节刺激参数，实现了对神经活动的动态干预。经皮耳廓迷走神经刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）、脑电图（electroencephalography, EEG）和心率变异性（heart rate variability, HRV）的结合，为构建高效、非侵入性的闭环神经调控系统提供了创新路径。本文将系统阐述这一融合技术的原理、架构及应用前景。

 

技术背景与核心原理

一.taVNS：非侵入性迷走神经调控的新范式

迷走神经作为连接中枢神经系统与内脏器官的关键通路，其调控功能覆盖自主神经、免疫、代谢等多个系统。传统的迷走神经刺激（VNS）需通过手术植入电极，而 taVNS 通过耳廓皮肤表面的电极刺激迷走神经的耳廓分支，避免了侵入性操作的风险。耳廓的迷走神经支配主要集中于 cymba conchae（耳甲艇）和 inner tragus（内耳屏）等区域，这些部位的电刺激可通过耳支传入纤维激活脑干孤束核（nucleus of the solitary tract, NTS），进而影响蓝斑核（locus coeruleus, LC）等关键核团的活动，调节去甲肾上腺素、γ- 氨基丁酸等神经递质的释放。

 

 

 

耳穴疗法神经生理机制及耳穴分布

 

 

 

taVNS 的优势在于其便携性和安全性。研究表明，taVNS 可通过激活 LC - 去甲肾上腺素系统提升注意力，调节皮层 α 振荡活动。例如，25Hz 的 taVNS 刺激能显著降低枕叶 α 波功率，同时引起瞳孔扩张，提示交感神经张力的改变。此外，taVNS 对 HRV 的调节呈现参数依赖性，10Hz/250μs、10Hz/500μs 、 25Hz/100μs 的刺激组合可显著增加 HRV 的总体指标（SDNN），但对迷走神经主导的指标（RMSSD）影响较小，表明其主要通过调节交感 - 副交感神经平衡发挥作用。

 

 

 

taVNS 调节心脏活动

 

 

 

心率变异性（HRV）与皮层振荡活动（EEG）的相关性

 

 

 

二.EEG 与 HRV：神经 - 心血管互动的动态指标

 

EEG 作为实时监测脑电活动的黄金标准，在闭环系统中扮演着 “神经状态传感器” 的角色。耳 EEG（ear-EEG）因其便携性和隐蔽性，成为移动闭环系统的理想选择。研究表明，耳 EEG 可敏感捕捉皮层 α 振荡（8-14Hz）的变化，而 α 波功率的升高与注意力下降相关，这为闭环系统提供了实时的神经状态反馈。此外，taVNS 可调节不同频段的脑电活动：额叶 θ 波（4-7Hz）的增强与 HRV 升高相关，而前额叶 γ 波（31-45Hz）的降低可能反映皮层兴奋性的调整。

 

 

 

ear-EEG监测

 

 

 

HRV 作为自主神经系统功能的无创指标，反映了心脏搏动间期的细微变化。SDNN（正常 RR 间期的标准差）表征总体 HRV，RMSSD（相邻 RR 间期差值的均方根）和 pNN50（差值 > 50ms 的 RR 间期百分比）则主要反映迷走神经调控的高频成分。taVNS 诱导的 HRV 变化与皮层振荡存在密切关联：额叶 θ 波功率与 RMSSD、pNN50 呈正相关，提示副交感神经张力的提升；而 SDNN 的增加可能与皮层 - 边缘系统对交感神经的抑制有关。这种 “脑 - 心” 互动为闭环系统提供了双重反馈维度 —— 既包含中枢神经活动（EEG），又涵盖外周自主神经反应（HRV）。

 

 

 

“脑 - 心” 互动通路

 

 

 

 

HUIYING

闭环系统的技术架构

 

 

一.硬件集成：从信号采集到刺激输出

 

闭环 taVNS-EEG-HRV 系统的硬件架构遵循 “感知 - 处理 - 执行” 的经典范式。信号采集端采用多通道集成设计：耳 EEG 电极（如干电极或柔性电极）贴合于耳廓及耳后区域，采样率通常≥500Hz，以捕捉高频脑电成分；HRV 信号通过胸腹部或手腕的心电图电极获取，同步记录 RR 间期；taVNS 刺激器采用可穿戴式设计，电极定位在 cymba conchae 和耳后参考点，输出参数（频率、脉宽、强度）可实时调节。

 

 

 

典型的闭环系统硬件包含以下模块：

 

 

EEG/ECG 采集模块：采用低噪声放大器和抗混叠滤波，如 24 位 ADC 的无线传感器，确保微伏级信号的精度；

 

 

taVNS 刺激模块：恒流 / 恒压输出，支持频率（0.5-50Hz）、脉宽（50-500μs）、强度（0-6mA）的动态调整；

 

 

主控单元：嵌入式处理器（如 ARM Cortex-M 系列）或边缘计算设备，实现实时信号处理与决策。

 

 

 

多功能耳迷走神经刺激器的原理框图

 

 

 

典型闭环范式：基于 EEG 与 HRV 的双反馈路径

 

根据应用场景的不同，闭环系统可采用单模态或多模态反馈：

 

 

 

EEG 驱动的闭环范式

 

以注意力调节为例，系统工作流程为：

 

 

1.耳 EEG 实时监测枕叶 α 波功率；

 

 

2.当α 波功率持续升高（如 > 基线值 15%）超过 5 秒，判断为注意力下降；

 

 

3.触发 taVNS（如 25Hz/200μs/2mA）持续 3 秒，抑制 α 波振荡；

 

 

4.刺激后 EEG 反馈确认 α 波功率下降，若未达标则调整参数（如增加强度至 3mA）。

 

 

 

HRV 驱动的闭环范式

 

在自主神经调节场景中，闭环逻辑如下：

 

 

1.实时计算 HRV 的 RMSSD 和 LF/HF 比；

 

 

2.当 RMSSD<20ms 且 LF/HF>3，判断为交感神经亢进；

 

 

3.启动 taVNS（10Hz/500μs/3mA），持续 15 秒；

 

 

4.监测 HRV 指标，若 RMSSD 提升至 30ms 以上且 LF/HF<2，则暂停刺激。

 

 

 

多模态融合闭环范式

 

结合 EEG 和 HRV 的双反馈路径，可实现更精准的神经调控：

 

 

协同指标：前额叶θ 波功率升高 + RMSSD 增加，提示副交感神经激活，维持 taVNS 参数；

 

 

冲突指标：α 波功率降低但 LF/HF 比升高，可能提示应激反应，需降低刺激强度；

 

 

决策权重：根据任务需求动态分配 EEG（权重 0.6）和 HRV（权重 0.4）的影响因子，如认知任务中 EEG 权重更高，而心血管调节中 HRV 权重更大。

 

 

 

耳部刺激与三种不同生物信号（即光电容积脉搏波、心电图和呼吸）同步

 

 

 

 

HUIYING

应用场景和研究项目

一.注意力与认知功能调节

 

注意力缺陷相关的疾病（如 ADHD、抑郁症）或需要持续警觉的场景（如驾驶、航空管制）是闭环 taVNS-EEG 系统的重要应用领域。研究表明，耳 EEG 监测的 α 波振荡可作为注意力的实时生物标志物，而 taVNS 通过激活 LC - 去甲肾上腺素系统提升皮层兴奋性。闭环系统在健康人群中已展现出显著效果：当 α 波功率超过基线值 120% 时触发 taVNS（10Hz/250μs），可使注意力维持时间延长 30%，同时 P300 事件相关电位振幅增加 15%。

 

 

 

在 ADHD 患者中，基于 EEG 的闭环 taVNS 可实现个性化干预：针对前额叶 α 波异常的患者，系统通过实时抑制过度活跃的 α 振荡，改善执行功能。一项纳入 30 例患者的临床试验显示，经过 4 周闭环治疗后，患者的 Conners 量表评分降低 22%，显著优于传统 taVNS 组（12%）。

 

 

 

蓝斑核能够改变脑电信号活动，从而影响注意力

 

 

 

二.中风康复与运动功能重塑

 

闭环 taVNS-EMG-HRV 系统在中风后上肢功能康复中展现出独特优势。其核心机制在于通过运动触发的 taVNS 增强皮质脊髓束可塑性，同时 HRV 作为自主神经调节的指标反映康复效果。具体实施路径为：

 

 

1.表面 EMG 监测患肢肌肉（如桡侧腕屈肌）的电活动；

 

 

2.当 EMG 幅度超过个体化阈值（如最大自主收缩的 30%）时，触发 taVNS（25Hz/300μs/4mA）；

 

 

3.HRV 的 SDNN 和 RMSSD 作为副交感神经激活的指标，与运动功能恢复呈正相关。

 

 

 

一项随机对照试验（N=150）显示，与单纯运动训练相比，闭环 taVNS 组的 Fugl-Meyer 上肢评分（FMA-UE）提升 6.9 分，显著高于顺序刺激组（3.1 分）和 sham 组（2.8 分）。HRV 指标的变化与康复效果密切相关：治疗后 RMSSD 增加 12ms 的患者，其运动功能改善幅度是 RMSSD 无变化者的 2.3 倍。

 

 

 

EMG 触发 taVNS闭环系统数据处理流程

 

 

 

三.心血管自主神经调节与应激管理

 

闭环 taVNS-HRV 系统在心血管疾病管理中具有重要潜力。研究表明，特定参数的 taVNS（如 10Hz/500μs）可通过增强迷走神经张力，提升 HRV 的 RMSSD 和 HF 功率。在高血压前期人群中，闭环系统通过实时监测 LF/HF 比，当该比值 > 3 时触发 taVNS，可使 24 小时平均血压降低 5/3mmHg，且效果持续至刺激停止后 6 小时。

 

 

 

在应激管理场景中，闭环系统可通过 EEG 和 HRV 的协同反馈实现压力的实时干预：

 

 

EEG 指标：前额叶θ 波功率降低（< 基线值 80%）提示心理负荷增加；

 

 

HRV 指标：RMSSD<25ms 且 LF/HF>2.5 提示交感神经亢进；

 

 

闭环干预：触发 taVNS（10Hz/250μs/2mA）持续 10 秒，可使唾液皮质醇水平降低 18%，主观压力评分下降 25%。

 

 

 

四.神经系统疾病的潜在应用

 

除上述领域外，闭环 taVNS-EEG-HRV 技术在其他神经系统疾病中也显示出应用前景：

 

 

癫痫：耳 EEG 监测到痫样放电前的 α 波抑制，提前触发 taVNS（5Hz/500μs），可降低癫痫发作频率 30%；

 

 

帕金森病：结合 HRV 的自主神经指标，闭环 taVNS 可改善患者的姿势稳定性，UPDRS 评分降低 15%；

 

 

耳鸣：基于 EEG 的 γ 波异常，闭环系统通过 taVNS 调节听觉皮层兴奋性，使耳鸣残疾量表（THI）评分降低 20 分。

 

 

 

结语

 

闭环 taVNS-EEG-HRV 技术通过整合神经电活动与自主神经反应，构建了 “脑 - 心” 互动的动态调控网络。从基础研究到临床应用，这一融合技术已在注意力调节、中风康复、心血管管理等领域展现出显著潜力。尽管面临参数优化、多模态融合等挑战，但其非侵入性、可穿戴性和个性化优势，使其成为未来精准神经调控的重要发展方向。随着智能算法、柔性电子和多模态协同技术的进步，闭环 taVNS 系统有望从实验室走向日常医疗，为神经系统和全身性疾病的管理提供创新解决方案。

 

 

 

 

HUIYING

回映产品  

产品1.基于干电极的32通道脑电采集仪

 

高质量脑电信号采集对于精准识别和分析非癫痫样异常（如弥漫性慢波、局灶性δ活动）至关重要。为此可以了解我们研发的一款32通道可穿戴脑电采集仪，采用高精度干电极采集脑电信号，无需导电膏即可快速佩戴，极大提升了受试者的舒适度和操作效率，特别适合长时间或动态环境下的数据采集。该设备不仅能通过全覆盖设计捕捉全脑电活动细节，还采用了type-C智能转接技术和抗干扰硬件架构，有效减少了运动噪声和电磁干扰对信号的影响，在高原或移动场景中也能稳定输出低噪声波形。

 

 

适用范围：多通道生理参数采集

 

32通道脑电采集仪

 

 

基本参数

采样率：≤ 16KSPS，每个通道独立可控制； 

 

 

共模抑制比：≥ 120dB； 

 

 

系统噪声：≤ 5uVrms； 

 

 

模数转换率：24 位； 

 

 

输入信号范围：±375mVpp； 

 

 

通频带：直流耦合放大，保留全部低频信号； 

 

 

事件同步输入：无线同步，时间精度＜ 1ms； 

 

 

供电方式：可充电锂电池； 

 

 

工作时间：单电池供电不低于 4 小时； 

 

 

优势：可支持高原环境采集。

 

产品2.单通道肌电/心电/皮电采集设备

 

单通道肌电采集设备创新性地采用type-C转脑电电极以简单轻便的方式实现了单通道肌电、心电、皮电采集，且基于结构与硬件的特殊设计，支持高原环境下进行采集。另外产品总体结构采用魔术贴设计，方便于全身佩戴。

适用领域:单通道生理参数采集

单通道肌电/心电/皮电采集设备

 

 

基本参数

 

1.模数转换：24位；

 

2.通道数：2；

 

3.示值准确度：误差不大于±10%或±2μV,两者取较大值；

 

4.测量范围：测量范围±350mV；

 

5.分辨率：分辨率≤2uV；

 

6.系统噪声：系统噪声≤1uV；

 

7.通频带：通频带为20Hz~250Hz(不包括陷波波段)；

 

8.差模输入阻抗：差模输入阻抗大于5MΩ；

 

9.共模抑制比：共模抑制比大于100dB；

 

10.工频陷波器：设备有50Hz陷波器,衰减后幅值不大于5μV(峰-谷值)；

 

11.工作噪音：工作噪音不大于65dB(A)；

 

产品3.经皮耳迷走神经刺激（taVNS）

 

本产品采用经皮耳迷走神经刺激（taVNS）技术，通过非侵入性电刺激耳甲腔及耳甲艇的迷走神经分支，精准调控耳部迷走神经分支（耳甲腔CO10、耳甲艇CO15等穴位）；具有多种刺激模式、信号调节范围大，直接作用于神经生理机制，可适用于睡眠障碍、焦虑症状、乏力、食欲减退、偏头痛、以及癫痫等多种疾病的辅助治疗。

 

 

经皮耳迷走神经刺激（taVNS）

回映自研经耳迷走神经电刺激耳甲电极

 

基本参数

刺激强度：0 - 30mA;

刺激频率：1 - 200Hz;

刺激脉宽：100 - 1000us;

刺激维持ON状态：1 - 500s;

刺激间歇OFF状态：1 - 500s;

淡入淡出时间：0 - 10s.
 

参考文献

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