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

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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

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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。

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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