CN105496642A - 基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，包括MCU微控制器、DAC转换电路、可编程数字电位器电路、压控恒流源电路、单极性转双极性H桥电路和上位机。所述的上位机使用异步串口通信技术，给MCU微控制器发送指令，调节输出脉冲波形的频率、脉宽、幅度及定向电流系数参数。应用到视皮层神经电刺激修复中，解决现有仅通过提高微刺激电极阵列的密度而无法满足视皮层光幻视高分辨率的问题。在微电极的物理尺寸和数目不变的基础上，通过调整相邻两个微电极上的刺激信号的强度、脉宽及相位，在相邻微电极间建立电场强度峰值，建立电刺激的虚拟通道，达到类似插入一个更小电极的刺激效果，实现更高选择性的电刺激模式。

Description

基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置
技术领域
本发明涉及一种视皮层神经电刺激系统，尤其是一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置。
背景技术
视觉假体的价值：世界卫生组织2014年最新统计全世界视盲患者迄今为止已经超过3900万，而且主要集中在发展中国家，给人民生活和社会带来了巨大的经济负担。其中，外层视网膜疾病例如视网膜色素变性、老年黄斑病变导致视网膜感光器的功能逐渐丧失，最终致盲。目前，基于电刺激视觉传递通路的视觉神经假体在视觉感受重建领域是一种具有巨大潜力的工程技术方法。
视皮层神经电刺激修复的独特价值：视觉重建大致可分为视网膜、视神经和视皮层三个层次，虽然前两者已进入临床试验阶段，然而视网膜发生病变最终会引起视神经不同程度的损害，故视皮层的视觉重建是视觉功能重建的一个重要研究方向；视皮层视觉假体的基本原理是通过施加刺激电流于视觉皮层来诱发视盲患者光幻视以形成视觉感受，并且早在1968年已被临床试验证实了该方法的安全性和有效性。
视皮层假体的研究现状：最早的视皮层刺激可以追溯到20世纪60-70年代，Brindley和Dobelle的研究验证了电刺激视皮层能诱发出持续的光幻视，但其刺激模式和空间分辨率都难以达到实际要求。近年来，微加工技术和电子技术的发展推动了皮层视觉重建技术的快速发展。Schmidt等1996年在一位视盲患者的临床植入实验证实刺激参数能影响光幻视的亮度和尺寸，而且电极间距500μm时能诱发出离散的光幻视。2000年Dobelle临床实验中视敏度能达到20/120。2002年，Halgren采用脑磁描记方法研究光幻觉的形状。目前最成功的视皮层刺入式微电极是犹他大学的Normann等研制的，直达视皮层第IV层神经元，所需刺激电流为μA级，而且电极间隔仅400μm，能在猫初级视皮层中观察到电刺激诱发的视皮层功能重建，并记录分析猫视皮层上SPIKE相关性的空间分布。欧洲有CORTIVIS项目研制基于视皮层微电极刺激的视觉功能重建系统。西班牙、澳大利亚研制了表面柔性微电极技术以降低对视皮层的损伤。国内也围绕柔性微电极、视皮层电刺激方面开展了相关研究。
存在的问题：视觉功能修复的质量受到光幻视有限分辨率的直接影响。然而，目前视觉假体引起盲人被试的光幻视的分辨率是比较低的，无法满足正常生活的需求。最初研究者通过提高微电极阵列的密度，来提高光幻视的分辨率。但是，随着项目的推进，研究者发现，一方面，有限的微电极制造工艺限制了微电极的尺寸和间距不可能无限小；另一方面，安全范围内的最大电荷安全密度制约了电极的最小尺寸，直径<100μm的电极易被人体内环境腐蚀；当电极尺寸和电极间距减小后，多通道刺激信号间的串扰会增强。这些情况导致无法单纯通过提高微刺激电极阵列的密度而来满足视皮层光幻视高分辨率的需求。因此，探索具有更高选择性的电刺激模式是视皮层视觉假体需要突破的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是解决现有仅通过提高微刺激电极阵列的密度而无法满足视皮层光幻视高分辨率的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，提供一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，包括MCU微控制器、DAC转换电路、可编程数字电位器、压控恒流源电路、单极性转双极性H桥电路及上位机。
所述MCU微控制器控制DAC转换电路和可编程数字电位器，使DAC转换电路产生多路成比例的电压脉冲信号V1i(i＝1、2、3…n)，使可编程数字电位器控制电压脉冲信号V1i(i＝1、2、3…n)的幅值调节，同时MCU微控制器编程控制实现多路输出电压脉冲信号V1i(i＝1、2、3…n)的频率和脉宽可调。
所述DAC转换电路采用可产生多路模拟电压脉冲信号的芯片，给任意两路按比例赋予数值，使得两通道上的电压信号幅值比例可调，定义一个变量α，称为定向系数。当α＝0.1时，两通道上电压的比例为1:9；当α＝0.2时，两通道上电压的比例为2:8；当α＝0.3时，两通道上电压的比例为3:7；当α＝0.4时，两通道上电压的比例为4:6；当α＝0.5时，两通道上电压的比例为5:5；从而输出多路具有不同定向系数的电压脉冲信号V1i(i＝1、2、3…n)。
所述可编程数字电位器由MCU微控制器控制，通过编程实现多路输入电压脉冲信号V1i(i＝1、2、3…n)的幅值可调节，输出多路电压脉冲信号V2i(i＝1、2、3…n)。
所述压控恒流源电路以多路电压脉冲信号V1i(i＝1、2、3…n)作为输入信号，经过该电路后以多路恒定电流脉冲信号I1i(i＝1、2、3….n)作为输出信号，该输出电流信号I1i(i＝1、2、3….n)的强度与负载电阻的大小无关，从而实现恒流的效果，该输出信号I1i(i＝1、2、3….n)为单极性可控信号。
所述单极性转双极性H桥电路采用桥式电路来实现，其输入信号为恒定电流信号I1i(i＝1、2、3….n)，由MCU微控制器的I/O管脚产生一组极性相反地脉冲信号PWM波通过非门驱动控制Q1、Q2、Q3、Q4在饱和与截止状态之间切换，从而改变输出电流I2i的方向，实现单极性恒定电流I1i(i＝1、2、3….n)转换成双极性恒定电流I2i(i＝1、2、3….n)；同时，有光耦芯片构成的H桥电路，能起到光电隔离的作用，保护组织免受电气的损伤。
所述的上位机使用异步串口通信技术，给MCU微控制器发送指令控制输出脉冲波形的频率、脉宽、幅度及定向电流系数的调节。
进一步所述装置输出单脉冲刺激信号，且输出通道数≥4。
所述输出单个脉冲为先负后正的双相电流脉冲。所述输出的单脉冲刺激的电流范围是0.1～2mA，频率范围0.5～350Hz，脉宽范围0.1～1ms。
所述单极性转双极性H桥电路输出的多路可控的双相恒流源脉冲信号I2i(i＝1、2、3….n)中，任意两通道间脉冲电流强度比例可调，由控制通道间电流定向系数α来调节；输出脉冲的电流可控制补偿系数σ的取值大小，从而控制刺激回路的聚焦程度。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，不增加电极数目的基础上提高选择性刺激效率，为增强视皮层假体光幻视的空间分辨率提出了一种新的技术方法，研制一种多通道视皮层定向电流刺激器，能调节通道间电流的定向系数α和补偿系数σ，能够实现对视皮层神经组织的选择性神经电刺激。
附图说明
图1为多路定向电流刺激器硬件系统；
图2为单极性转双极性H桥电路；
图3为电流定向示意图；
图4为任意两通道间的定向电流系数α；
图5为补偿系数σ＝0与补偿系数σ≠0两种情况。
图1中，1为MCU微控制器1；2为DAC转换电路；3为可编程数字电位器电路；4为压控恒流源电路；5为单极性转双极性H桥电路；6为上位机。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，参见图1所示，包括MCU微控制器1、DAC转换电路2、可编程数字电位器电路3、压控恒流源电路4、单极性转双极性H桥电路5和上位机6。
所述的MCU微控制器1控制DAC转换电路2输出幅值成比例的多路电压脉冲信号V1i，且多路电压脉冲信号V1i的幅值、周期、脉冲宽度参数可调，其中i＝1、2、3…n。
所述DAC转换电路2采用可产生多路模拟电压信号的芯片，给任意两路按比例赋予数值，使得两通道上输出幅值成一定比例的电压脉冲信号V1i，其中i＝1、2、3…n。
所述可编程数字电位器3由MCU微控制器1控制，通过编程实现多路输出电压脉冲信号V2i幅值的可调，其中i＝1、2、3…n。
所述压控恒流源电路4的输入为电压脉冲信号V2i，输出的是单相电流脉冲信号I1i，该输出电流脉冲信号I1i的幅值与负载电阻的大小无关，从而实现恒流的效果，其中i＝1、2、3…n。
所述的单极性转双极性H桥电路5的输入为单极性恒定电流脉冲信号I1i，输出为双极性恒定电流脉冲信号I2i，同时由光耦芯片构成的H桥电路起到光电隔离的作用，能够使组织免受电气的伤害，其中i＝1、2、3…n。
所述的上位机6使用异步串口通信技术，给MCU微控制器1发送指令，调节输出脉冲波形的频率、脉宽、幅度及定向电流系数参数。
实施例2：
参见图2和图3所示，多通道定向电流神经电刺激器输出多通道的刺激信号，其中图2中，PWM1和PWM2是一对极性相反的PWM波、单极性转双极性H桥电路的输入电流为单极性的脉冲电流信号I1i(i＝1、2、3….n)，输出电流为双极性的脉冲电流信号I2i(i＝1、2、3….n)。经电极1、电极2传递到初级视皮层的神经组织，以激活神经组织产生动作电位，从而诱发“光幻视”。深色长方形表示电极，两排圆形表示初级视皮层的神经组织。其中，深色圆形图标表示初级视皮层区域中虚拟通道的位置。当α＝1时，相当于有效通道就是第一通道；当α＝0.5时，相当于虚拟通道位于第一通道与第二通道中间的位置；(a)中α＝1，电极1，I＝100％,电极2，I＝0％；此时，有效的刺激区域就是只有电极1下面的初级视皮层区域；(b)中α＝0.5，电极1，I＝50％,电极2，I＝50％，有效的刺激区域是电极1、电极2以及两个电极中间的初级视皮层区域。这样，当调节定向系数，可以实现对两电极间神经组织的电刺激，相当于在电极1与电极2中间的位置上又摆放了一个“虚拟”电极。
实施例3：
假设在初级视皮层神经电刺激视觉修复系统中，位于初级视皮层的两个微电极上的输入脉冲电流的幅值分别是I1＝αI和I2＝(1-α)I，其中定向系数α(0≤α≤1)通常指两个电极上的刺激电流比例系数，I为两个微电极上的电流之和，即I＝Il1+Il2。参见图4所示，所述定向系数α可调，取值范围是0，0.1,0.2，0.3，0.4，0.5。该定向系数是指相邻两个通道上的刺激电流强度的比例系数，可以通过上位机(6)来选择输出脉冲的定向电流系数α、频率、脉宽、幅值等参数。当α＝0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，虚拟通道的位置变化规律与α＝0，0.1，0.2，0.3，0.4时类似，只是在相邻两电极间的水平位置是以两电极中心点的两侧。所以，我们在设计多通道定向电流刺激器时只考虑α＝0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5的情况即可满足实验要求。
输出的双相恒流源信号中，任意多通道刺激信号与返回电极上信号的补偿系数σ可调，分为σ≠0与σ＝0两种情况。参见图5所示，I1，I2，I3分别表示相邻刺激微电极上的刺激电流，Ix是返回电极上的回路电流。其中，刺激电极位于初级视皮层，返回电极可位于初级视皮层边缘，也可位于动物头皮处或者其他位置。返回电极与刺激电极构成刺激回路。所以，返回电极的位置决定了刺激回路面积的大小。σ≠0是指多个刺激电极上的刺激信号的代数和不等于零，电流最终要流经返回电极，才能构成刺激信号的回路；σ＝0是指多个刺激电极上的刺激信号的代数和等于零，返回电极上电流为零，相当于电流回路上不经过返回电极，仅在多个刺激电极间就构成闭合回路。因此，补偿系数的取值提示了返回电极是否参与了刺激回路的构成，反映了刺激回路的聚焦程度。

Claims (8)

1.一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：包括MCU微控制器(1)、DAC转换电路(2)、可编程数字电位器电路(3)、压控恒流源电路(4)、单极性转双极性H桥电路(5)和上位机(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：
所述的MCU微控制器(1)控制DAC转换电路(2)输出幅值成比例的多路电压脉冲信号V1i，且多路电压脉冲信号V1i的幅值、周期和脉冲宽度参数均可调，其中i＝1、2、3…n。
3.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：
所述DAC转换电路(2)采用可产生多路模拟电压信号的芯片，给任意两路按比例赋予数值，使得两通道上输出幅值成一定比例的电压脉冲信号V1i，其中i＝1、2、3…n。
4.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：
所述可编程数字电位器(3)由MCU微控制器(1)控制，通过编程实现多路输出电压脉冲信号V2i幅值的可调，其中i＝1、2、3…n。
5.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：
所述压控恒流源电路(4)的输入为电压脉冲信号V2i，输出的是单相电流脉冲信号I1i，该输出电流脉冲信号I1i的幅值与负载电阻的大小无关，从而实现恒流的效果，其中i＝1、2、3…n。
6.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：
所述的单极性转双极性H桥电路(5)的输入为单极性恒定电流脉冲信号I1i，输出为双极性恒定电流脉冲信号I2i，同时由光耦芯片构成的H桥电路起到光电隔离的作用，能够使组织免受电气的伤害，其中i＝1、2、3…n。
7.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于:
所述的上位机(6)使用异步串口通信技术，给MCU微控制器(1)发送指令，调节输出脉冲波形的频率、脉宽、幅度及定向电流系数参数。
8.根据权利要求1所述的一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，其特征在于：
所述装置输出单脉冲，且输出通道数≥4；
所述输出单个脉冲为先负后正的双相电流脉冲；所述输出的单脉冲刺激的电流范围是0.1～2mA，频率范围0.5～350Hz，脉宽范围0.1～1ms。
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