CN104042228A - 一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，它包括近红外脑功能光学成像系统：包括微处理器、模数转换器、第一数模转换器、增益可编程运算放大器、滤波电路、近红外发射探头恒流驱动电路、双波段近红外发射探头、近红外光强传感器探头和液晶触摸屏，经颅直流电刺激系统包括：微处理器、tDCS刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、第二数字模拟转换器和上位机，硅胶盘用于放置双波段近红外发射探头，环形电刺激电极和近红外光强传感器探头。本发明提高了经颅直流电刺激的刺激疗效，为神经科学的科研、检测、治疗提供了一种新的方法与实用工具。

Description

一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置

技术领域

本发明涉及涉及生物医学工程领域的生物电信号的采集处理技术，尤其涉及一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置。

背景技术

经颅直流电刺激(Transcranial direct current stimulation,tDCS）技术与近红外脑功能光学成像（Functional near infrared spectroscopy,fNIRS）技术正逐步成熟并应用于科研与临床治疗中。tDCS主要用于脑功能调控，fNIRS用于脑功能的状态监测。实时监测脑功能调控对于临床应用具有重要的价值。而目前要做到对脑功能调控的刺激与检测必须使用两台独立的设备。且这两种设备均有各自的前端，也存在着难以将刺激部位与检测部位重叠的问题，很难实现对刺激部位脑功能的监测。合理的设计前端刺激-检测电极和与之相关的tDCS与fNIRS一体系统，满足在进行经颅直流电刺激的同时能够检测刺激部位大脑各种血液动力学参数，可以为深入研究脑功能调控提供一有效的方法。

经对现有文献的检索发现，同时检索经颅直流电刺激与近红外脑功能成像两个关键词，检索不到相关专利与文献。中国专利申请号为：201210042918.3，名称为：经颅直流电刺激仪，其设计为刺激正极位于橡皮垫中央而负电极位于正电极的周围，这种设计可能会造成电流大部分经由头皮等表层组织流向负电极而导致刺激区域过浅。本发明包含的经颅直流电刺激系统的特制环形刺激电极安装在特制的硅胶盘上，而地极采用普通方形电极，可置于头部任何部位。中国专利申请号为：200880105399.2，名称为：经颅电刺激装置，采用针状电极，局部头皮电流密度过高，容易造成皮肤灼伤，且会造成被试者不适。本发明采用平面电极，电流密度小，保护头皮。中国专利申请号为：201210118753.3，名称为：一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置和控制方法，中国专利申请号为：200910140839.4，名称为：生物反馈刺激系统和生物反馈刺激方法，以上两项技术方案分别提供了不同的关于经颅直流电刺激的装置或方法，都是单独刺激装置或方法，没有与检测方法结合。

经对现有文献的检索还发现，中国专利申请号为：200510055893.0，名称为：近红外光谱脑功能成像头盔，中国专利申请号为：200510086672.X，名称为：听觉刺激近红外光谱法麻醉深度监测装置，以上两项技术方案分别提供了关于近红外脑功能成像的装置或方法，都是单独的检测装置或方法，没有与刺激方法结合。中国专利申请号为：201110216299.0，名称为：脑电和近红外光谱联合采集脑信号的头盔，其中提到的头盔是与本发明中所用的便于刺激与检测同时进行的硅胶盘不同的装置，以上都是单独的检测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，这是一种无创性经颅直流电刺激与微型近红外脑功能检测技术同时实施的方法与一体化装置。该装置适合于在实施大脑功能刺激时，能同时检测刺激部位去氧血红蛋白与血流量发生变化，进而反映刺激部位的神经活动和神经兴奋性发生的变化。直流电刺激中需要了解刺激部位对神经双向调节的结果——神经兴奋性是增加或抑制，相对应的是氧合血红蛋白增加或减少，还需要了解刺激作用的范围与深度。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，包括经颅直流电刺激系统、微型近红外成像系统和硅胶盘；

所述的近红外脑功能光学成像系统为微型近红外脑功能光学成像系统，它包括微处理器，与所述微处理器连接的模数转换器、数模转换器、增益可编程运算放大器，滤波电路，近红外发射探头恒流驱动电路，双波段近红外发射探头，近红外光强传感器探头和液晶触摸屏，所述的近红外光强传感器探头、滤波电路、增益可编程运算放大器和模拟数字转换器顺序连接构成采集信号链路接入所述的微处理器；所述的近红外光强传感器探头与增益可编程运算放大器相连，所述的微处理器通过读取模拟数字转换器的输出数据判断出需要增益并改变增益可编程放大器的放大倍数；所述的双波段近红外发射探头、近红外发射探头恒流驱动电路和第一数字模拟转换器顺序连接构成光强调制链路与所述的微处理器相连接，所述的液晶触摸屏与所述的微处理器连接，接受所述的微处理器的指令实时显示采集到的血氧信息数据；

所述的经颅直流电刺激系统包括微处理器、经颅直流电刺激刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、数字模拟转换器和上位机，所述的经颅直流电刺激刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、第二数字模拟转换器顺序连接，并通过所述的第二数字模拟转换器连所述的微处理器，所述的上位机与所述的微处理器连接；

所述的近红外脑功能光学成像系统与所述的经颅直流电刺激系统是由同一所述的微处理器控制，通过微处理器内部的时钟和定时器达到同步，通过定时器控制两个系统；所述近红外脑功能光学成像系统的双波段近红外发射探头和近红外光强传感器探头通过所述的硅胶盘与经颅直流电刺激系统的经颅直流电刺激刺激电极组合在一起；

所述的硅胶盘中心有一通孔用于放置双波段近红外发射探头，在硅胶盘的一侧，环绕通孔外侧有一环形凹槽，槽内置于一环形电刺激电极，在环形凹槽外侧沿硅胶盘圆周有八个通孔用于放置近红外光强传感器探头；所述的经颅直流电刺激系统可由上位机控制其刺激的强度、形式和周期，并在记录的近红外采集信号中标记每次刺激的开始与结束。

所述的近红外发射探头恒流驱动电路包括数字模拟转换器、横流电路、共阳极双波段发光管，其波长分别为690nm和830nm,所述的微处理器通过数字模拟转换器与由运算放大器组成的恒流电路将两个波段的发射管分别调制在不同的频率上同时发射。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明可以方便的实现边刺激边检查，监测经颅直流电刺激对大脑功能调制的方向、程度、影响范围与深度，以便选择更好的刺激模式和刺激参数来达到理想的刺激效果。

本发明中的微型近红外脑功能光学成像系统由微处理器设定两种波长的近红外发射与接收的工作频率，采用连续波分频复用模式另种波长的近红外光调制在不同的频率上同时点亮，然后由硅胶盘外侧的若干个探测器接收经过组织衰减后的光信号，经过光电转换和信号放大、滤波处理并进行模/数转换，将得到的数据进行解调后分别得到两个波长的光强信号。对采集的多通道数据进行实时运算,并在小型液晶屏上显示出氧合血红蛋白和血流量的变化,来反映各个通道部位所对应脑区功能活动的强弱、活动的范围与深度发生的变化。

本发明在临床操作时简单易行，操作方便，便于在刺激中根据实时近红外脑功能光学成像检测结果调整刺激参数与刺激模式，以达到干预神经功能的预期目的。本发明提高了经颅直流电刺激的刺激疗效，扩大了近红外脑功能光学成像的应用范围，为神经科学的科研、检测、治疗提供了一种新的方法与实用工具。

本发明把两种神经科学中的新技术结合在一起，实时用近红外脑功能光学成像检测经颅直流电刺激大脑任何部位的刺激效果。解决了经颅直流电刺激刺激非运动区没有靶器官检测的难题。

附图说明

图1是本发明的电路原理逻辑框图；

图2是微型近红外脑功能光学成像系统的恒流驱动电路原理图；

图3是硅胶盘的示意图；

图4是图4的剖面图；

图5是本发明装置的刺激区域与检测区域的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详述本发明。

实施例为应用近红外成像技术检测经颅直流电刺激效果的实验。

本发明的一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，其电路原理逻辑框图如图1所示：它包括经颅直流电刺激系统、近红外脑功能光学成像系统和硅胶盘；

所述的近红外脑功能光学成像系统为微型近红外脑功能光学成像系统，它包括微处理器，与所述微处理器连接的模数转换器、第一数模转换器、增益可编程运算放大器，滤波电路，近红外发射探头恒流驱动电路，双波段近红外发射探头，近红外光强传感器探头和液晶触摸屏，所述的近红外光强传感器探头、滤波电路、增益可编程运算放大器和模拟数字转换器顺序连接构成采集信号链路接入所述的微处理器；所述的近红外光强传感器探头与增益可编程运算放大器相连，所述的微处理器通过读取模拟数字转换器的输出数据判断出需要增益并改变增益可编程放大器的放大倍数；所述的双波段近红外发射探头、近红外发射探头恒流驱动电路和第一数字模拟转换器顺序连接构成光强调制链路与所述的微处理器相连接，所述的液晶触摸屏与所述的微处理器连接，接受所述的微处理器的指令实时显示捡测情况，即显示出去氧血红蛋白和血流量的变化,反映经颅直流电刺激刺激时各检测通道部位所对应脑区功能活动的强弱、范围与深度发生的变化；

所述的经颅直流电刺激系统包括微处理器、经颅直流电刺激刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、第二数字模拟转换器和上位机，所述的经颅直流电刺激刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、第二数字模拟转换器顺序连接，并通过所述的第二数字模拟转换器连所述的微处理器，所述的上位机与所述的微处理器连接；

所述的近红外脑功能光学成像系统与所述的经颅直流电刺激系统是由同一所述的微处理器控制，通过同一时钟和定时器达到同步；

所述近红外脑功能光学成像系统的双波段近红外发射探头和近红外光强传感器探头通过所述的硅胶盘与经颅直流电刺激系统的经颅直流电刺激刺激电极组合在一起；

所述的硅胶盘，如图3所示，其中心有一通孔用于放置双波段近红外发射探头，其尺寸与探头一致已形成紧密的贴合固定探头；在硅胶盘与皮肤接触的一侧，环绕通孔外侧有一环形凹槽，槽内置于一环形电刺激电极，在环形凹槽外侧沿硅胶盘圆周有八个通孔用于放置近红外光强传感器探头；通孔尺寸与双波段近红外发射探头尺寸一致已形成紧密的贴合固定探头；在使用时，应至少有一个光强传感器探头的通孔用于接收光强信号；

所述的双波段近红外发射探头和近红外光强传感器探头为细长圆柱形，使其能够方便地插入硅胶盘上的安装孔洞内，被弹性硅胶孔洞夹持，并可调节其在在安装孔洞中的深度，达到与头皮的紧密接触。

所述的硅胶盘近红外脑功能成像系统的双波段近红外发射探头安装孔位于其中心，在硅胶盘与头皮接触的一面，双波段近红外发射探头安装孔的外围，有环形凹槽用于放置经颅直流电刺激系统的环形电极。在环形凹槽外围靠近硅胶盘边缘有平均分布的八个接受探头安装孔。

首先把近红外的发射探头与接收探头安装于硅胶盘的安装孔上，将经颅直流电刺激电极粘于硅胶盘与皮肤接触面的凹槽内，然后利用打孔弹性绷带把硅胶盘固定于受刺激者的头颅的预定位置。

所述的环形刺激电极，内径与外径都与凹槽尺寸一致，电极与皮肤接触的另一侧有易于粘卸的胶水使其固定于硅胶盘的凹槽内，电极具有较大弹性，厚度略大于硅胶盘的凹槽，可以保证与头皮的解密贴合。

所述的经颅直流电刺激系统可由上位机控制其刺激的强度、形式和周期，并在记录的近红外采集信号中标记每次刺激的开始与结束；

所述的近红外脑功能光学成像仪中的恒流驱动电路包括数字模拟转换器、横流电路、共阳极双波段发光管（分别为690nm和830nm）,微处理器通过数字模拟转换器与由运算放大器组成的恒流电路，将两个波段的发射管分别调制在不同的频率上同时发射；

所述的近红外脑功能光学成像系统与经颅直流电刺激系统通过微处理器达成刺激与采集的同步。

经颅直流电刺激系统的实施通过一个特殊设计的环形电极与一个普通的方形电极与人体头部相连，方形电极为参考电极，环形电极为刺激电极。

经颅直流电刺激系统的环形电极置于近红外脑功能成像系统双波段近红外发射探头周围，硅胶盘的凹槽内。环形电极与方形电极连线接到经颅直流电刺激系统对应的接线端。

图2是微型近红外脑功能光学成像系统的恒流驱动原理框图：

所述的近红外发射探头恒流驱动电路包括数字模拟转换器、横流电路、共阳极双波段发光管，它是690nm的发射管和830nm的发射管以共阳极的方式集成在一起的发射管；所述的恒流驱动电路以运算放大器为核心，构成简单实用性能优良的恒流驱动电路，两个运算放大器的同相端接数字模拟转换器，两个波段的光强即由数字模拟转换器的输出控制。所述的微处理器通过数字模拟转换器与由运算放大器组成的恒流电路将两个波段的发射管分别调制在不同的频率上同时发射。

所述红外光强传感器探头所用的光强传感器选用相应波长的近红雪崩光电二极管以及其增益电路，也可采用光导纤维传导检测到的近红外信号，经过增益可编程放大器放大后的信号有模拟数字转换器转换并发送给微控制器，由其判断增益可编程运算放大器的增益是否合适并控制其增益。

将双波段近红外发射探头插入硅胶盘中心的通孔中，把四个红外光强传感器探头平均插入硅胶盘周围的通孔中，调制其位置使探头与硅胶盘与皮肤接触面齐平。

将方形电极置于被试者头部的预定位置，将环形电极安装于硅胶盘内，并将两者的引线安装于设备的指定接线位置。

图3和图4是硅胶盘的示意图：

近红外脑功能光学成像系统的双波段近红外发射探头和红外光强传感器探头通过具有可塑性与弹性的硅胶盘与头皮紧密结合。同时，经颅直流电刺激系统的刺激电极也是嵌套于硅胶盘与头皮接触面的预留凹槽内。

硅胶盘是根据发射探头、红外光强传感器探头和刺激电极的尺寸制作的一个类似圆盘形的硅胶盘，硅胶盘上设有若八个距离不同的安装孔洞，便于近红外发射与红外光强传感器探头插入孔洞，利用硅胶的弹性，增强探头外壁与硅胶盘预留的安装孔内侧的摩擦力，起到固定的作用，保证探头与刺激部位的头皮紧密接触。

所述的双波段近红外发射探头和近红外光强传感器探头为细长圆柱形，能够方便插入硅胶盘上的安装孔洞，被弹性硅胶孔洞夹持，可调节在安装孔洞中的深度，达到与头皮的紧密接触。

所述的硅胶盘近红外脑功能成像系统的双波段近红外发射探头安装孔位于其中心，在托盘与头皮接触的一面，双波段近红外发射探头安装孔的外围，有环形凹槽用于放置经颅直流电刺激系统的环形电极；在环形凹槽外围靠近硅胶盘边缘有平均分布的八个近红外光强传感器探头安装孔。

安装好双波段近红外发射探头、红外光强传感器探头和环形电极后，将硅胶盘固定于被试者头部的预定位置，即可开始刺激与检测了。

图5为刺激部位与检测部位的示意图

刺激的部位与近红外系统检测的部位重叠，可以检测到具有意义的刺激部位血液动力学参数的变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，其特征在于：它包括经颅直流电刺激系统、近红外脑功能光学成像系统和硅胶盘；

所述的近红外脑功能光学成像系统为微型近红外脑功能光学成像系统，它包括微处理器，与所述微处理器连接的模数转换器、第一数模转换器、增益可编程运算放大器，滤波电路，近红外发射探头恒流驱动电路，双波段近红外发射探头，近红外光强传感器探头和液晶触摸屏，所述的近红外光强传感器探头、滤波电路、增益可编程运算放大器和模拟数字转换器顺序连接构成采集信号链路接入所述的微处理器；所述的近红外光强传感器探头与增益可编程运算放大器相连，所述的微处理器通过读取模拟数字转换器的输出数据判断出需要增益并改变增益可编程放大器的放大倍数；所述的双波段近红外发射探头、近红外发射探头恒流驱动电路和第一数字模拟转换器顺序连接构成光强调制链路与所述的微处理器相连接，所述的液晶触摸屏与所述的微处理器连接，接受所述的微处理器的指令实时显示检测情况；

所述的经颅直流电刺激系统包括微处理器、经颅直流电刺激刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、第二数字模拟转换器和上位机，所述的经颅直流电刺激刺激电极、限流装置、tDCS恒流驱动电路、第二数字模拟转换器顺序连接，并通过所述的第二数字模拟转换器连所述的微处理器，所述的上位机与所述的微处理器连接；

所述的近红外脑功能光学成像系统与所述的经颅直流电刺激系统是由同一所述的微处理器控制，通过微处理器内部的时钟和定时器达到同步，通过定时器控制两个系统；所述近红外脑功能光学成像系统的双波段近红外发射探头和近红外光强传感器探头通过所述的硅胶盘与经颅直流电刺激系统的经颅直流电刺激刺激电极组合在一起；

所述的硅胶盘中心有一通孔用于放置双波段近红外发射探头，在硅胶盘的一侧，环绕通孔外侧有一环形凹槽，槽内置于一环形电刺激电极，在环形凹槽外侧沿硅胶盘圆周有八个通孔用于放置近红外光强传感器探头；所述的经颅直流电刺激系统可由上位机控制其刺激的强度、形式和周期，并在记录的近红外采集信号中标记每次刺激的开始与结束。

2.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，其特征在于：所述的近红外发射探头恒流驱动电路包括数字模拟转换器、横流电路、共阳极双波段发光管，其波长分别为690nm和830nm,所述的微处理器通过数字模拟转换器与由运算放大器组成的恒流电路将两个波段的发射管分别调制在不同的频率上同时发射。

3.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激与近红外检测的一体化装置，其特征在于：所述的双波段近红外发射探头和近红外光强传感器探头为细长圆柱形。