神經調控技術的發展正朝著精準化、個性化的方向邁進，閉環系統作為其中的核心范式，通過實時監測生理信號并反饋調節刺激參數，實現了對神經活動的動態干預。經皮耳廓迷走神經刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）、腦電圖（electroencephalography, EEG）和心率變異性（heart rate variability, HRV）的結合，為構建高效、非侵入性的閉環神經調控系統提供了創新路徑。本文將系統闡述這一融合技術的原理、架構及應用前景。

技術背景與核心原理

一.taVNS：非侵入性迷走神經調控的新范式

迷走神經作為連接中樞神經系統與內臟器官的關鍵通路，其調控功能覆蓋自主神經、免疫、代謝等多個系統。傳統的迷走神經刺激（VNS）需通過手術植入電極，而taVNS通過耳廓皮膚表面的電極刺激迷走神經的耳廓分支，避免了侵入性操作的風險。耳廓的迷走神經支配主要集中于cymba conchae（耳甲艇）和inner tragus（內耳屏）等區域，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），進而影響藍斑核（locus coeruleus, LC）等關鍵核團的活動，調節去甲腎上腺素、γ-氨基丁酸等神經遞質的釋放。

耳穴療法神經生理機制及耳穴分布

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

taVNS 調節心臟活動

心率變異性（HRV）與皮層振蕩活動（EEG）的相關性

二.EEG與HRV：神經-心血管互動的動態指標

EEG作為實時監測腦電活動的黃金標準，在閉環系統中扮演著“神經狀態傳感器”的角色。耳EEG（ear-EEG）因其便攜性和隱蔽性，成為移動閉環系統的理想選擇。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，這為閉環系統提供了實時的神經狀態反饋。此外，taVNS可調節不同頻段的腦電活動：額葉θ波（4-7Hz）的增強與HRV升高相關，而前額葉γ波（31-45Hz）的降低可能反映皮層興奮性的調整。

ear-EEG監測

HRV作為自主神經系統功能的無創指標，反映了心臟搏動間期的細微變化。SDNN（正常RR間期的標準差）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調控的高頻成分。taVNS誘導的HRV變化與皮層振蕩存在密切關聯：額葉θ波功率與RMSSD、pNN50呈正相關，提示副交感神經張力的提升；而SDNN的增加可能與皮層-邊緣系統對交感神經的抑制有關。這種“腦-心”互動為閉環系統提供了雙重反饋維度——既包含中樞神經活動（EEG），又涵蓋外周自主神經反應（HRV）。

“腦-心”互動通路

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閉環系統的技術架構

一.硬件集成：從信號采集到刺激輸出

閉環taVNS-EEG-HRV系統的硬件架構遵循“感知-處理-執行”的經典范式。信號采集端采用多通道集成設計：耳EEG電極（如干電極或柔性電極）貼合于耳廓及耳后區域，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計，電極定位在cymba conchae和耳后參考點，輸出參數（頻率、脈寬、強度）可實時調節。

典型的閉環系統硬件包含以下模塊：

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）、強度（0-6mA）的動態調整；

主控單元：嵌入式處理器（如ARM Cortex-M系列）或邊緣計算設備，實現實時信號處理與決策。

多功能耳迷走神經刺激器的原理框圖

典型閉環范式：基于EEG與HRV的雙反饋路徑

根據應用場景的不同，閉環系統可采用單模態或多模態反饋：

EEG驅動的閉環范式

以注意力調節為例，系統工作流程為：

1.耳EEG實時監測枕葉α波功率；

2.當α波功率持續升高（如>基線值15%）超過5秒，判斷為注意力下降；

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

4.刺激后EEG反饋確認α波功率下降，若未達標則調整參數（如增加強度至3mA）。

HRV驅動的閉環范式

在自主神經調節場景中，閉環邏輯如下：

1.實時計算HRV的RMSSD和LF/HF比；

2.當RMSSD<20ms?且?LF/HF>3，判斷為交感神經亢進；

3.啟動taVNS（10Hz/500μs/3mA），持續15秒；

4.監測HRV指標，若RMSSD提升至30ms以上且LF/HF<2，則暫停刺激。

多模態融合閉環范式

結合EEG和HRV的雙反饋路徑，可實現更精準的神經調控：

協同指標：前額葉θ波功率升高+ RMSSD增加，提示副交感神經激活，維持taVNS參數；

沖突指標：α波功率降低但LF/HF比升高，可能提示應激反應，需降低刺激強度；

決策權重：根據任務需求動態分配EEG（權重0.6）和HRV（權重0.4）的影響因子，如認知任務中EEG權重更高，而心血管調節中HRV權重更大。

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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應用場景和研究項目

一.注意力與認知功能調節

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

在ADHD患者中，基于EEG的閉環taVNS可實現個性化干預：針對前額葉α波異常的患者，系統通過實時抑制過度活躍的α振蕩，改善執行功能。一項納入30例患者的臨床試驗顯示，經過4周閉環治療后，患者的Conners量表評分降低22%，顯著優于傳統taVNS組（12%）。

藍斑核能夠改變腦電信號活動，從而影響注意力

二.中風康復與運動功能重塑

閉環taVNS-EMG-HRV系統在中風后上肢功能康復中展現出獨特優勢。其核心機制在于通過運動觸發的taVNS增強皮質脊髓束可塑性，同時HRV作為自主神經調節的指標反映康復效果。具體實施路徑為：

1.表面EMG監測患肢肌肉（如橈側腕屈肌）的電活動；

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

3.HRV的SDNN和RMSSD作為副交感神經激活的指標，與運動功能恢復呈正相關。

一項隨機對照試驗（N=150）顯示，與單純運動訓練相比，閉環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指標的變化與康復效果密切相關：治療后RMSSD增加12ms的患者，其運動功能改善幅度是RMSSD無變化者的2.3倍。

EMG觸發taVNS閉環系統數據處理流程

三.心血管自主神經調節與應激管理

閉環taVNS-HRV系統在心血管疾病管理中具有重要潛力。研究表明，特定參數的taVNS（如10Hz/500μs）可通過增強迷走神經張力，提升HRV的RMSSD和HF功率。在高血壓前期人群中，閉環系統通過實時監測LF/HF比，當該比值> 3時觸發taVNS，可使24小時平均血壓降低5/3mmHg，且效果持續至刺激停止后6小時。

在應激管理場景中，閉環系統可通過EEG和HRV的協同反饋實現壓力的實時干預：

EEG指標：前額葉θ波功率降低（）提示心理負荷增加；

HRV指標：RMSSD<25ms?且?LF/HF>2.5提示交感神經亢進；

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

四.神經系統疾病的潛在應用

除上述領域外，閉環taVNS-EEG-HRV技術在其他神經系統疾病中也顯示出應用前景：

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

帕金森病：結合HRV的自主神經指標，閉環taVNS可改善患者的姿勢穩定性，UPDRS評分降低15%；

耳鳴：基于EEG的γ波異常，閉環系統通過taVNS調節聽覺皮層興奮性，使耳鳴殘疾量表（THI）評分降低20分。

結語

閉環taVNS-EEG-HRV技術通過整合神經電活動與自主神經反應，構建了“腦-心”互動的動態調控網絡。從基礎研究到臨床應用，這一融合技術已在注意力調節、中風康復、心血管管理等領域展現出顯著潛力。盡管面臨參數優化、多模態融合等挑戰，但其非侵入性、可穿戴性和個性化優勢，使其成為未來精準神經調控的重要發展方向。隨著智能算法、柔性電子和多模態協同技術的進步，閉環taVNS系統有望從實驗室走向日常醫療，為神經系統和全身性疾病的管理提供創新解決方案。

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回映產品

產品1.基于干電極的32通道腦電采集儀

高質量腦電信號采集對于精準識別和分析非癲癇樣異常（如彌漫性慢波、局灶性δ活動）至關重要。為此可以了解我們研發的一款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環境下的數據采集。該設備不僅能通過全覆蓋設計捕捉全腦電活動細節，還采用了type-C智能轉接技術和抗干擾硬件架構，有效減少了運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定輸出低噪聲波形。

適用范圍：多通道生理參數采集

32通道腦電采集儀

基本參數

采樣率：≤ 16KSPS，每個通道獨立可控制；

共模抑制比：≥ 120dB；

系統噪聲：≤ 5uVrms；

模數轉換率：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；

優勢：可支持高原環境采集。

產品2.單通道肌電/心電/皮電采集設備

單通道肌電采集設備創新性地采用type-C轉腦電電極以簡單輕便的方式實現了單通道肌電、心電、皮電采集，且基于結構與硬件的特殊設計，支持高原環境下進行采集。另外產品總體結構采用魔術貼設計，方便于全身佩戴。

適用領域:單通道生理參數采集

單通道肌電/心電/皮電采集設備

基本參數

1.模數轉換：24位；

2.通道數：2；

3.示值準確度：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.系統噪聲：系統噪聲≤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)；

產品3.經皮耳迷走神經刺激（taVNS）

本產品采用經皮耳迷走神經刺激（taVNS）技術，通過非侵入性電刺激耳甲腔及耳甲艇的迷走神經分支，精準調控耳部迷走神經分支（耳甲腔CO10、耳甲艇CO15等穴位）；具有多種刺激模式、信號調節范圍大，直接作用于神經生理機制，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。

經皮耳迷走神經刺激（taVNS）

回映自研經耳迷走神經電刺激耳甲電極

基本參數

刺激強度：0 - 30mA;

刺激頻率：1 - 200Hz;

刺激脈寬：100 - 1000us;

刺激維持ON狀態：1 - 500s;

刺激間歇OFF狀態：1 - 500s;

淡入淡出時間：0 - 10s.

參考文獻

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