CN100402109C - 经颅电刺激设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种经颅电刺激设备和方法，包括第一预设频率的双极脉冲的第一发生器，产生比第一预设频率低的第二频率的输出的调制控制信号源用来使脉冲第一发生器的输出脉冲在调制控制信号的频率的预设非对称图形下改变振幅，该信号的非对称图形应用到为附在病人头皮而设计的输出电极(见图3)。

Description

经颅电刺激设备和方法

背景技术

生物电刺激设备已经被发展用于通过位于病人大脑相对侧的电极来对病人施加电流脉冲。选定频率的电流脉冲被用来与病人的中枢神经系统产生反应。这种装置一般被称为经颅电刺激仪(TCES)或者颅侧电刺激仪(CES)，已经在大量的非入侵性过程中被应用，如产生止痛作用，降低或控制偏头痛以及用于其他的一些治疗和电麻醉。

最早的经颅电刺激装置原型起源于俄国。这些最初的设计，尽管在几种不同的治疗形式中被成功应用，却具有对佩带者或病人产生不适的严重缺点。在个别的情况下这些较早的颅侧刺激装置甚至会对病人造成痛苦。发现这些较早的装置造成不适的原因是在装置的全部操作过程的一部分中使用了直流电。直流电用来破坏或者降低皮肤的电阻以使放置在病人头部的电极所产生的治疗交流信号穿透大脑和神经系统以达到需要的效果。

这些较早类型的仪器中，佩带者使用通过带子附着在头部的一系列电极接收直流和交流电波包的组合。典型的是，包含基于DC电路的阴极或负极的两个电极被放置在前额中心左右大约三英寸的地方。其他的两个电极，包含基于DC电路的阳极或正极，被放置在颅骨后部双耳后下方的上顎位置。借助于这种基于DC电流的设计，要求佩带者在皮肤和任何电极之间加上一块厚的衬垫。典型地，衬垫是由几层原色的未染色的棉法兰绒或者是同类的物品组成。为了达到最好的结果，织物衬垫用水浸透以在电极和佩带者的皮肤之间提供导电通路。在交流频率电流的治疗形式可利用水平能够达到之前，如果没有衬垫(由于直流电的存在，衬垫是唯一要求)，这样的装置或者会烧坏佩带者的皮肤，或者导致相当强度的疼痛。

尽管多种类型的治疗被这种较早的经颅电刺激装置使用，这种仪器普遍需要在每个治疗周期平均使用30分钟。如果没有相对麻烦的厚衬垫，基于DC的设计是不能使用的。有了厚衬垫，这样的DC设计对佩带者来说才是可以忍受的，但是很少能够带给佩带者愉快的经历。

利用此类装置用于不同的治疗方法的三项俄国专利包括第1489719，1507404和1522500号俄国专利。在所有的这些专利中，在每次治疗期间，在电流强度从一个相对小的值上升到一个高的或者最高的电平上，使用了频率为70到80赫兹之间的直流电流和矩形脉冲电流的结合。

基于DC设计的一个附加潜在的有害缺点是离子电渗疗法。这种类型的DC电路应用的特征是能够造成分子大小的部分金属、毒素或者其他的不希望的杂质在通过皮肤的电流方向上移动并进入这种基于DC的CES仪器佩带者的血流中。因此，要非常小心以保证除了用来使佩带者皮肤上与衬垫产生良好电接触的水之外没有其他的物质。因为实际上所有CES治疗形式要求重复治疗，离子电渗疗法作为有害因素的潜在性会逐渐提高。

经颅电刺激(CES或TCES)最初在20世纪60年代被用来致人入睡。这些早期装置典型使用电流是在100赫兹的频率时小于15毫安。授给Liss的美国专利第4627438号使用了被低频方波调制的更高频率来产生循环的脉冲群。调制频率决定了Liss装置的重复频率，但是在每次重复周期中脉冲群为均一振幅。Liss专利装置特别适用于与治疗偏头痛一起联合使用。低频或调制信号是非对称的，使用了3∶1的占空比，即在一个循环周期内有四方之三的时间是“开”的，另外的四分之一时间是“关”的。这导致当没有施加信号时被关断时间所分开的高频信号脉冲的猝发，接着为再施加高频信号脉冲的猝发。在治疗间隔期间脉冲施加的时间周期上，一些病人的不适会出现在这种“开/关”系统的操作中。

一些其他的美国专利，都是针对于利用低频调制载波调制的高频信号的双频系统，在现有的Liss第4627438号专利中具有该装置的一般属性的工作。这些专利的典型是Limoge的第3835833号专利，Nawracaj的第4071033号，Kastrubin的第4140133号，Morawetz的第4922908号和Giordani的第5131389号。所有的这些专利都采用了在择调制载波的低频处调制的均一振幅的高频信号。

上述专利的系统变形被美国专利Haimovich的第5540736号披露。该专利的装置使用两个不同的电流产生器，来提供传递到工作在病人脑部的不同部位的两个电极对的电流。这允许对电流产生器的独立的控制，以管理穿过每一个电极对的独立的调节电流以调节由于病人中脑部分不同部位的生理学和解剖学性质而产生的不同阻抗、导电介质的质量和其他因素。在所有其他的方面，这项专利披露的系统与上述Liss专利所披露的系统操作相类似。

公开号为第2139111号的俄国专利针对的是治疗麻醉狂的方法，其也可以被使用在如上所述的其他CES专利中用于对沉溺于酒精和麻醉的治疗。在该专利中，经颅电刺激是由100赫兹的调制频率下持续4毫秒的电流包完成的。在每一个包内，高频信号具有同一的频率和电流幅度。

希望提供一种能够克服现有技术缺点并且能够提高治疗效果，增加病人舒适感的经颅电刺激设备和方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个改进了的经颅电刺激设备和方法。

本发明的另一目的是提供改进的不使用直流成分的经颅电刺激设备和方法。

本发明的又一目的是提供改进的仅采用交流成分的经颅电刺激设备和方法。

本发明的更进一步的目的是提供改进的经颅电刺激设备和方法，其利用了高频脉冲包或群，它的振幅在每个包内以同一方式变化并且其中包以较低的调制频率重复，施加到用于产生经颅电刺激的电极。

依照本发明的优选实施例，经颅电刺激装置包括在第一预设频率的双极脉冲第一发生器。在比第一预设频率低的第二频率的调制控制信号源，被用来与接收第一预设频率脉冲的振幅控制电路连接以产生第一预设频率的双极脉冲，其在调制控制信号的频率下以非对称形式改变振幅。

附图说明

图1为根据本发明一优选实施例的系统操作的总原理的框架图。

图2为本发明一优选实施例的典型信号图形的波形。

图3为产生如图2所示信号的系统框架图。

具体实施方式

现在参照附图说明本发明优选实施例及其操作。图1是对多种经颅电刺激应用有用的能产生独特的非对称三重波形实施电路的突出操作特点的框架示意图。联系图2详细描述的独特波形对仪器使用者可以产生微小的到完全不存在的不舒适感。

正如图1所描述的，基本高频电流信号是由高频发生器10产生的，它可以使用频率控制12和脉冲持续时间控制14来建立基频并提供发生器10产生的每个脉冲的正负部分之间需要的非对称。典型地，发生器10可以包括工作在1000到1200千赫兹之间的晶体振荡器，该频率接着被分频到用于经颅电刺激电极的交流脉冲的需要操作频率。典型地，分割比率可以为1∶4，来产生接着由低频信号发生器16调制的信号。

正如图1框架图所说明的，低频信号发生器16的输出可以利用传统的频率控制18、脉冲持续时间控制20和调制深度控制22来建立，以便在24处产生复合调制输出信号，它包括从高频发生器10输出的被低频发生器16所调制的脉冲。输出24接着被提供给振幅控制26以建立通过系统供给功率放大器28的脉冲波列的振幅。功率放大器28的电流可以根据系统所应用的治疗模式而变化，并且由安培计34测量其电流。功率放大器28接着给一对或者多对电极输出提供合适的经颅交流脉冲，如图1所示的一对电极30和32。

现在结合图2的波形和图3的系统框架图来研究用于产生非对称三重波形以便产生有效的经颅电刺激的本发明优选实施例的操作。图3所示系统的框架图是典型的实现需要产生图2波形的多种电路功能的一种方式，但是其他的产生这种信号波形的设计也是可以利用的。

图3中，晶体振荡器50用于提供基本的交流操作信号，该信号用于如图1所示的由高频发生器10和低频发生器16产生的高频脉冲和调制脉冲。典型地，振荡器50可以具有1000千赫兹到1200千赫兹量级的操作频率(尽管其他频率也可以使用)。振荡器50的输出提供给分频器52，它包含多个分频级，来产生较低的调制频率(如图1所示，由低频发生器16产生的)。振荡器50的输出信号同时也通过分频器54产生如图2所示的方波信号波形的操作信号波形，在被脉冲整形器56整形之后，得到图2的一般的方波波形。在所给的例子中，脉冲发生在100千赫兹的交流等级下，但是其根据系统的具体应用中也可以为更高或者更低的频率。

分频器54输出的脉冲也提供给计数器60，它可以是任何合适类型的诸如级联计数器或环形计数器，用于在被使用来控制脉冲整形56的脉冲振幅的导线64和66上产生输出信号。计数器60被分频器52的输出复位，通过导线62在分频器52操作的每个周期来复位计数器。在本例子中，分频器52的输出(包含低频调制控制信号)被选择为77.5赫兹，因为这个重复频率被证明在与经颅电刺激仪器连接时是高度有效的。在70赫兹到85赫兹范围内的重复频率被证明是有效的，但是77.5赫兹的频率在实验中被确认为能够发挥系统最大效率的理想频率。

通过导线62施加的调制或复位频率也可由第二个独立的晶体振荡器提供，若需要可以工作在比振荡器50低的初始频率下。如果使用两种不同的信号源，两种信号间的同步应发挥作用，以使得信号的多种脉冲转换彼此相关来产生图2中的信号波形。然而图3中所示的系统就是实现这一目的一种有效方法。

在本例子中，假设计数器60被复位为它的初始或“0”的计数状态。系统开始运行提供分频器54下分信号的高频输出脉冲到计数器输入，它比每一个应用的脉冲早一步计数。在图2中的波形中，初始脉冲(图2的前四个)使得64和66上的计数器输出是这样的：当这些输出被应用到振幅控制器68时，产生最大振幅(如果需要的话，可以进行调节)。这在如图2波形信号的左侧部分说明了。当应用组或包中的第四个脉冲时，可以从计数器60的一个或全部输出64和66得到一个信号，并被应用到振幅控制电路68上以便将其转换为更低的振幅，如图2中右侧部分信号所示。

这使得振幅控制电路68的输出被应用到可调放大器58上以产生如图2所示的非对称信号波形，其中每个信号脉冲的左侧四分之一(42)是高振幅的，包含脉冲其余部分的右侧部分(44)是低振幅的。该比率使得四分之一(初始振幅)处在高振幅范围内，其余的四分之三处在低振幅的范围内。这是使用的信号非对称性的第一层次。

调节放大器58也工作在从脉冲整形器56得到的方波整型脉冲下，产生在信号的正负向方面的第二非对称。如图2所示，负向振幅占信号的整个振幅的四分之一，正向部分占整个振幅的四分之三。这在每个脉冲群或包的脉冲开始部分的最大振幅脉冲42和每个脉冲群或包结束的较低振幅部分44都是正确的。

最后，第三非对称在如图2的40所说明的13毫秒的方波脉冲包内产生。这是包含对计数器60复位操作的导线62分频信号工作的结果。

图2所示的复合非对称信号接着由调节放大器58的输出提供给功率放大器70。该放大根据由系统使用者利用的治疗形态可以被调节以改变系统工作的电流量(同时保持图2所示的相关波形形状和方式)。安培计74用来量测系统提供的电流大小。它可以是一个简单的模拟安培计，也可以是数字安培计，其分别提供图2所示信号最大振幅和最小振幅部分的读数。

如果需要，放大器70的输出可以通过使施加到空间电极的信号极性被改变的极性开关72来施加。极性开关72在一对空间输出电极76和78上提供信号，它们可以是分离阳极和分离阴极对的形式或者是单个的“阳极”和“阴极”对形式。因为没有直流电成分出现，连接到输出端76和78的电极路径并不是真正的阳极和阴极；但是依赖于正在作用的治疗方式，为了取得特殊的效果，它需要给这些电极的一个或另一个提供脉冲的正向部分并给另一个提供负向部分。

需要指出的是，在所示的上述系统中没有直流成分。同样需要指出的是，尽管系统基本上是在如图2所示的每个脉冲包40的70千赫到120千赫的音调脉冲举例说明的，其他频率也是可以使用的。正如指出的，源自时序周期的77.5赫兹的波形用来完成依据图2的信号图形包括相关高振幅的第一脉冲和接下来的相对低振幅一系列脉冲的每个脉冲包。

在上述公开系统中，0.01毫秒的单个方波脉冲被使用在每个脉冲中具有0.0075毫秒的负脉冲值和0.0025毫秒的正脉冲值。当整个系统操作处于集中在3∶1的比率附近时，结合图2描述的上述一般非对称波形被证明是有效的。根据系统其他比率的相应变化这些比率当然也是可以改变的。但是发现这种公开的非对称关系可以代替前面的必序的却令人不舒适的较早的系统操作协议的DC部分。

在一些现有技术装置中使用的DC电流被设计成提供一个穿透人类皮肤自然电容阻抗的路径。DC电流减小该阻抗到大约300至400欧姆。但是其代价是仪器使用者的高度的不舒适感。实践证明由图3所示的系统所产生的并由图2波形所示的独特的非对称信号的利用，有效将表皮层电容阻抗降低至大约100欧姆量级。因为在综合的77.5赫兹调制频率下阻抗更小，更低强度的电流可以收到先前需要更高的电流强度才能达到的相同的希望效果。对使用本仪器的病人来说，更低强度的电流转换为更高水平上的舒适感。

前面描述的本发明优选实施例是作为示例而不能作为限制性的。本领域技术人员能够想到以基本上同样的方式执行大致相同的功能以便实现大致相同的结果而不背离如所附权利要求限定的本发明的真正保护范围的多种改变和变形。

Claims (7)

1.一种经颅电刺激设备，其特征在于包括：

第一预设频率的双极脉冲源(50)；

产生低于所述第一预设频率的第二频率的调制控制信号源(52，60)；

振幅控制装置(68)，响应调制控制信号，在第一预设频率(通过58)耦合到双极脉冲源，使双极脉冲连续群中的双极脉冲的振幅按照第二频率处的预定非对称图形变化，该振幅控制装置在每个脉冲群的第一部分(42)具有较大的振幅，而在每个脉冲群的第二部分(44)具有较小的振幅。

2.如权利要求1所述的经颅电刺激设备，其特征在于还包括：脉冲整形器(56)，与所述第一预设频率的双极脉冲源(50)耦合来改变第一预设频率的双极脉冲的延时时间。

3.如权利要求1所述的经颅电刺激设备，其特征在于，每个脉冲群的第一部分(42)的脉冲振幅是第二部分(44)的脉冲振幅的约三倍。

4.如权利要求3所述的经颅电刺激设备，其特征在于还包括：输出电极(76，78)，(通过58、70)与所述振幅控制装置(68)耦合。

5.如权利要求3所述的经颅电刺激设备，其特征在于，所述调制控制信号源是与所述第一预设频率的双极脉冲源(50)耦合的分频器(52)。

6.如权利要求1所述的经颅电刺激设备，其特征在于还包括：输出电极(76，78)，通过(58、70)与所述振幅控制装置(68)耦合。

7.如权利要求1所述的经颅电刺激设备，其特征在于，所述调制控制信号源是与所述第一预设频率的双极脉冲源(50)耦合的分频器(52)。

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