CN102500058A - 基于脑电波的神经疾病理疗仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于脑电波的神经疾病理疗仪及其使用方法，其特征是：由处理器和与处理器连接的用户接口、数据接口、LCD、脑信号采集电路、存储单元、治疗脑电波形成电路构成。本发明方法的优势体现在：具体患者具体治疗自动病理判断识别，能够根据病理判断识别结果自动产生治疗脉冲，针对性强针，直观有效，时间短，治疗目的明确，而且属于非侵入式治疗，对患者无任何痛苦和副作用。

Description

基于脑电波的神经疾病理疗仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗保健器械，特别是一种基于脑电波的神经疾病理疗仪及其使用方法。

背景技术

脑神经系统疾病的异常很多时间是以脑电波信号异常为特征的。例如癫痫病就是由于大脑神经元异常，导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病。癫痫发作（epileptic seizure）时，脑神经元会异常且过度超同步化放电，由于异常放电的神经元在大脑中的部位不同。目前，在医学上治疗大脑神经元异常的常规方法多为药物治疗、手术治疗。在很多情况下，药物治疗对于异常脑神经效果有限，而且长期使用药物不仅使人产生抗药性，以致药物剂量不断增加，而且对人体还产生副作用，并且还要不断消耗财力。以癫痫为例，患者需长期服用苯巴比妥、苯妥英钠、卡马西平、丙戊酸钠等常用的抗癫痫药，带有全身强直阵挛发作的癫痫病患者还需另行静脉注射安定或异戊巴比妥钠。对药物治疗无效的难治性癫痫需使用立体定向术破坏脑内与癫痫发作的有关区域，胼胝体前部切开术或慢性小脑刺激术，众所周知，手术风险大，成本高，康复疗程长。

对于先天性或部分后天性智障患者，目前医学还尚未出现有效治疗手段。

发明内容

本发明的目的是针对目前脑神经系统疾病治疗方法存在的不足，而提供一种基于脑电波的神经疾病理疗仪及其使用方法，本理疗仪治疗效果好，对患者无任何痛苦和副作用。

实现本发明目的的技术方案是：

根据磁场、电场等外界刺激可以诱导脑电波与之电场同步，即是说来自外界的刺激可以影响脑电活动的原理，设计一种脑电波神经病理疗仪，使其模拟产生的脑电波电场或磁场，对于人的大脑的异常电信号则对其抑制使其无法聚集，同时诱导异常脑电信号恢复正常水平，可以达到控制脑神经系统疾病发作次数，从而达到治疗的目的。

本发明基于脑电波的神经疾病理疗仪，由处理器和与处理器分别连接的用户接口、数据接口、LCD、脑信号采集电路、存储单元、治疗脑电波形成电路构成。

本理疗仪处理器软件程序为：输入患者编号后，脑电信号采集，如是正常脑电波信号，将其正常脑电波信号保存；如不是正常脑电波信号，则要进行病理特征识别，识别后配置刺激方案，刺激方案、刺激参数查表得出，再经过治疗脑电波数据的计算，数据输出到治疗脑电波形成电路。

所述的脑信号采集电路由前置放大电路、带通滤波及放大电路、光电耦合电路、ADC电路顺序连接组成，再与处理器连接。

所述的存储单元由与处理器连接的Flash、SRAM组成。

所述的脑电波信号形成电路由波形产生电路、放大电路、耦合线圈顺序连接组成，再与处理器连接。

本理疗仪的使用方法是：

（1）定义N组脑电波信号刺激配置方案，每一组配置方案对应脑神经系统疾病的治疗方法，其主要含有如下参数：信号强度、频率、持续时间等，形成刺激配置方案编号到刺激参数的查找表；

（2）用现有脑电信号处理的方法提取、定义N种不同脑电信号特征，每一种特征对应于一种脑神经系统疾病，脑电信号特征编号与脑电波信号刺激方案配置方案编号形成一一对应的关系；

（3）脑电波的频率和波形因人因病而异，因此针对每一位受试患者，需要脑电波信号采集电路采集其正常状态下脑电波信号并与受试患者的编号对应保存；对于智障等一些疾病的治疗，则可以预先采集其他正常人脑电波信号保存；

（4）实时采集病情正在发作患者的脑电波信号，处理器分析其病理特征，得出步骤（2）中定义的脑电信号的特征类别，也就是诊断出患者疾病类型；

（5）由步骤（4）得到的脑电信号的特征类别，将脑电信号的特征编号一一对应了脑电波信号刺激配置方案编号，因此，由脑电信号的特征编号得到一组包含信号强度、频率、持续时间在内的刺激参数；

（6）由受试患者的编号可得到（3）中患者正常状态下采集保存的正常脑电波信号或预先保存的其他正常人脑电波信号；

（7）利用步骤（5）得到的脑电波信号刺激参数，对步骤（6）的脑电波信号进行处理得到治疗脑电波；

（8）步骤（7）得到的治疗脑电波送到相应电极或电磁线圈，产生电磁场，电磁场通过置于头皮上的电极作用于患者，电磁场对于当前受试患者的异常脑电信号有抑制作用，同时会诱导异常脑电信号恢复正常水平，从而消除病理过程，恢复身心健康。

本发明方法的优点是：具体患者具体治疗自动病理判断识别，能够根据病理判断识别结果自动产生治疗脉冲，针对性强针，直观有效，时间短，治疗目的明确，而且属于非侵入式治疗，对患者无任何痛苦和副作用。

附图说明

图1为本理疗仪的结构示意图；

图2为本理疗仪处理器的软件流程框图；

图3为本发明脑电波信号采集电路框图；

图4为本发明治疗脑电波信号形成电路框图；

图5为本发明脑电波信号前置放大电路框图；

图6为本发明脑电波信号带通滤波及放大电路框图；

图7为本发明脑电波信号光电耦合电路框图；

图8为本发明脑电波信号ADC电路框图；

图9为本发明脑电波信号存储单元电路框图；

图10为本发明治疗脑电波波形产生电路框图；

图11为本发明治疗脑电波放大电路图。

具体实施方式

    下面结合附图和实施例对本发明的结构作进一步的阐述。

本发明基于脑电波的神经疾病理疗仪，由处理器和与处理器分别连接的用户接口、数据接口、LCD、脑信号采集电路、存储单元、治疗脑电波形成电路构成。

所述的处理器采用STM32F103VBT6作为主控芯片，STM32F103VBT6是一款中容量增强型的，基于32位的ARM Cortex-M3的带64或128K字节闪存的微处理器。它工作频率最高达72MHz，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz。它具有丰富的片内资源，例如实时时钟、 定时器、 通用 I /O 接口、DMA 控制器、 A /D转换器、 USART接口、I2C接口、SPI接口和 CAN总线接口还包括 20K字节的片内 SRAM以及一个支持 USB2 . 0规范的全速USB外围设备等等。

STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进,包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集,大幅度提高的中断响应,而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平，该系列产品具有出色的实时性能，最大的集成特性，易于开发，其外设和软件具有高度兼容性，为设计提供最大的灵活性。

所述的脑信号采集电路由前置放大电路、带通滤波及放大电路、光电耦合电路、ADC电路顺序连接组成，再与处理器连接。

前置放大电路如图5所示，该电路由两个同相并联结构的前置放大电路级联而成，由于隔直电容与R3串联,前置级第一级电路的放大增益不可能设置得很高，采用INA121作为第一级放大电路主要是从成本上考虑，INA121可调放大增益和共模抑制比要低于INA128，所以图中采用了浮地跟踪电路进一步提高第一级电路的共模抑制比。由图可以计算出电路的放大倍数和共模抑制比。

由于脑电信号源的高阻抗，干扰极易通过脑电极进入两输入端，由于两输入端阻抗总是不平衡的，共模干扰转化为差模干扰，把输入端的接地端浮置并跟踪共模电压，即相当于器件的偏置电压都跟踪共模输入电压。这样，共模电压不能随着信号一起被放大，从而放大器输出端产生的共模误差电压被大大削弱，也即相当于提高了放大器的共模抑制能力。

带通滤波及放大电路如图6所示，带通滤波由双运放集成电路OP2177构成，OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性。两个运放设计为高通和低通滤波器并组合成带通滤波，为不损失其高频成分，设计U3、C2、C3、R5、R7为高通滤波器，同理为不损失其低频成分，设计U4、R6、R10、C4、C5为低通滤波器。放大电路由U5、R8、R9构成，考虑到脑电信号比较微弱，为毫伏级，而A/D转换输入信号要求电压为1V左右，故整个放大电路的倍数大概为1000倍左右。而前置放大电路大概10倍左右，故本级放大倍数设计为100倍。

光电耦合电路如图7所示，光电耦合器将发光器D1（红外线发光二极管LED）与受光器Q1（光敏半导体管）封装在同一管壳内, 当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电” 转换。利用光电耦合电路的单向传输信号特性，使输入端与输入端完全实现电气隔离，抗干扰能力强，传输效率高。

ADC电路如图8所示，本设计的ADC电路主要是利用STM32F103VBT6内嵌的ADC，该处理器里面内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换，转换精度高，完全达到本发明精确性要求。

如图9所示，所述的存储单元由与处理器连接的Flash、SRAM组成。本发明利用STM32处理器的内置的Flash和SRAM来存储数据和程序。程序存储器，数据存储器，寄存器和输入输出端口被组织在同一个4GB的线性地址空间内。数据字节以小端格式存放在存储器中。其中内置的Flash为64位的128K，SRAM为20K，本发明采集到的数据，以及预先保存的参考数据及配置方案的数据均保留在Flash里，供处理器条用处理。内置的SRAM能使CPU以0周期等待访问（读/写）。

所述的脑电波信号形成电路由波形产生电路、放大电路、耦合线圈顺序连接组成，再与处理器连接。

如图10所示，波形产生电路的控制部分由ARM STM32F103VBT6处理器完成。它负责把从ADC转换的数据或初始设定的数据进行处理，得到频率设定值和计数器的控制参数，并且频率设定值发送给AD9850,交其处理。AD9850的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个相位累加器组成，每来一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表上地址上。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过2N/M（M称为频率控制字,N为相位寄存器的位数）个时钟周期后回到初始状态，相应的正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个波形产生电路输出一个正弦波。

如图11所示，由于波形产生电路的输出信号比较弱，所以得在输出级使用放大电路来放大信号，以满足要求。因为放大电路的暑促信号高次谐波成分很高，所以要得到比较好的输出波形，首先要求放大器具有很高的频宽，另外，要带动低阻负载，放大器的电流输出能力也是个重要的参数。鉴于以上几点，本发明采用的是电流型运输放大器AD811，其单位增益带宽很宽，                                               12供电，增益为+10的情况下，-3dB带宽达100MHz,非常适合本系统的宽带放大要求，外围电路也简单。

放大电路之后再经过耦合线圈可以提高信号的共模抑制比，滤掉无用的信号成分，从而使波形更加完整，更加接近本发明的要求。

治疗实施例：

以癫痫病患者治疗为例，本发明的理疗仪内部已经存储有癫痫病脑电信号特征数据，同时用于癫痫病治疗的脑电波信号刺激参数。首先，在癫痫病患者正常状态时，通过用户接口设定理疗仪为正常脑电信号采集方式，对癫痫病患者进行脑电波信号采集并对应于患者编号存储，采集结束后理疗仪自动转为治疗模式。当患者癫痫发作时，被采集的脑电信号被理疗仪内部的处理器进行病理特征提取。处理器通过特征判决得到癫痫病脑电信号特征编号，并以特征编号为查找表依据，得到用于癫痫病治疗的脑电波信号刺激参数，利用刺激参数和脑信号处理的方法计算出治疗用的脑电波数据。脑电波数据被送到波形形成电路，得到既具有抑制异常脑电信号聚集的作用，又可诱导异常脑电信号恢复正常水平的治疗脑电波，此治疗脑电波可通过电极对癫痫病发作者进行刺激治疗。

Claims (5)

1.一种基于脑电波的神经疾病理疗仪，其特征是：由处理器和与处理器分别连接的用户接口、数据接口、LCD、脑信号采集电路、存储单元、治疗脑电波形成电路组成。

2.根据权利要求1所述的理疗仪，其特征是：本理疗仪处理器软件程序为：输入患者编号后，脑电信号采集，如是正常脑电波信号，将其正常脑电波信号保存；如不是正常脑电波信号，则要进行病理特征识别，识别后配置刺激方案，刺激方案、刺激参数查表得出，再经过治疗脑电波数据的计算，数据输出到治疗脑电波形成电路。

3.根据权利要求1所述的理疗仪，其特征是：所述的脑信号采集电路由前置放大电路、带通滤波及放大电路、光电耦合电路、ADC电路顺序连接组成，再与处理器连接。

4.根据权利要求1所述的理疗仪，其特征是：所述的脑电波信号形成电路由波形产生电路、放大电路、耦合线圈顺序连接组成，再与处理器连接。

5.基于脑电波的神经疾病理疗仪的使用方法，包括如下步骤：

（1）定义N组脑电波信号刺激配置方案，每一组配置方案对应脑神经系统疾病的治疗方法，其主要含有如下参数：信号强度、频率、持续时间等，形成刺激配置方案编号到刺激参数的查找表；

（2）用现有脑电信号处理的方法提取、定义N种不同脑电信号特征，每一种特征对应于一种脑神经系统疾病，脑电信号特征编号与脑电波信号刺激方案配置方案编号形成一一对应的关系；

（3）脑电波的频率和波形因人因病而异，因此针对每一位受试患者，需要脑电波信号采集电路采集其正常状态下脑电波信号并与受试患者的编号对应保存；对于智障等一些疾病的治疗，则可以预先采集其他正常人脑电波信号保存；

（4）实时采集病情正在发作患者的脑电波信号，处理器分析其病理特征，得出步骤（2）中定义的脑电信号的特征类别，也就是诊断出患者疾病类型；

（5）由步骤（4）得到的脑电信号的特征类别，将脑电信号的特征编号一一对应了脑电波信号刺激配置方案编号，因此，由脑电信号的特征编号得到一组包含信号强度、频率、持续时间在内的刺激参数；

（6）由受试患者的编号可得到（3）中患者正常状态下采集保存的正常脑电波信号或预先保存的其他正常人脑电波信号；

（7）利用步骤（5）得到的脑电波信号刺激参数，对步骤（6）的脑电波信号进行处理得到治疗脑电波；

（8）步骤（7）得到的治疗脑电波送到相应电极或电磁线圈，产生电磁场，电磁场通过置于头皮上的电极作用于患者，电磁场对于当前受试患者的异常脑电信号有抑制作用，同时会诱导异常脑电信号恢复正常水平，从而消除病理过程，恢复身心健康。

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