CN106039600A - 一种无线控制的可穿戴式超声神经刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，包括：用户控制终端、控制发射芯片、超声换能器和贴片外壳；其中，用户控制终端，用于输入刺激脉冲模式与相关刺激波形参数，产生对应的控制指令并通过无线发出给控制发射芯片；控制发射芯片，用于接收控制指令，产生相应的刺激电脉冲波形并驱动超声换能器；超声换能器，用于将刺激电脉冲转波形换为超声刺激波束，作用于刺激对象；贴片外壳，用于封装控制发射芯片和超声换能器，以及与刺激对象之间进行接触和固定。本发明的装置实现刺激装置的小型化和智能控制，尤其适用于对正常自由状态下的作用对象行为进行长时间的刺激过程。

Description

一种无线控制的可穿戴式超声神经刺激装置

【技术领域】

本发明涉及神经刺激装置领域，特别涉及一种无线控制的可穿戴式超声神经刺激装置。

【背景技术】

超声神经刺激是近来逐渐兴起的一种对神经进行刺激调节的技术，通过超声刺激能使中枢神经或外周神经产生兴奋或抑制，从而达到调控对象行为的目的。与目前广泛用于临床的脑部刺激手段，诸如药物刺激、电刺激、磁刺激、光刺激等等相比，超声刺激具备非侵入式、无创、空间分辨率较高等等优势。实验后的脑组织结构安全性实验也证实了超声刺激神经的安全性，具有良好的应用前景。而现有的超声神经刺激装置系统主要是通过信号发生器发出特定的刺激电脉冲、经过功率放大器放大后驱动超声换能器发射超声波束，从而对作用对象的特定部位进行刺激。这套刺激装置系统各部件之间都需要有线连接，需要手动输入刺激信号，操作过程较为复杂；更重要的是，由于超声刺激装置庞大且难以移动，需要先行将刺激对象进行固定或限制其活动，比如当刺激对象为小动物时，为了将其固定于刺激装置上，需要先进行麻醉，而麻醉的深度势必会对刺激的结果评价产生影响，无法得到其处于正常自由运动状态下的刺激结果，此外，固定装置之间的连接等等都会影响超声神经刺激的效果。

综上所述，现有的超声神经刺激装置存在系统庞大、操作复杂，应用条件苛刻等缺陷，仅限于只能对特殊状态下的作用对象进行刺激。目前，可穿戴式技术应用十分广泛，传统的神经电刺激设备已发展出便携式仪器，并已经投入市场。超声神经刺激作为一种极具发展前景的神经刺激手段，与可穿戴式技术结合能够解决上述超声神经刺激装置的问题。因此，本发明提出将无线通信技术与可穿戴式技术应用于超声神经刺激装置的设计，实现超声刺激装置的小型化和智能控制。

【发明内容】

针对现有的超声神经刺激装置的不足，本发明提出一种无线控制的可穿戴式超声神经刺激装置，旨在实现刺激装置的小型化和智能控制，尤其适用于对正常自由状态下的作用对象行为进行长时间的刺激过程。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，包括：用户控制终端、控制发射芯片、超声换能器和贴片外壳；其中，

用户控制终端，用于输入刺激脉冲模式与相关刺激波形参数，产生对应的控制指令并通过无线发出给控制发射芯片；

控制发射芯片，用于接收控制指令，产生相应的刺激电脉冲波形并驱动超声换能器；

超声换能器，用于将刺激电脉冲波形转换为超声刺激波束，作用于刺激对象；

贴片外壳，用于封装控制发射芯片和超声换能器，以及与刺激对象之间进行接触和固定。

作为本发明的进一步改进，所述控制发射芯片包括WIFI模块、CPU、数模转换器、功率放大电路和电源模块；

所述WIFI模块，用于接收配对的用户控制终端发送的控制指令，并输入到CPU；

所述CPU，用于接收控制指令并根据刺激脉冲模式与刺激波形参数输出数字脉冲；

所述数模转换器，将数字脉冲转换为模拟的刺激脉冲波形，输入到功率放大电路；

所述功率放大电路，将模拟刺激脉冲波形放大后输入到超声换能器；

所述电源模块，为整个控制发射芯片电路提供电源。

作为本发明的进一步改进，所述功率放大电路中还包括滤波电路，放大后的模拟刺激脉冲波形经过滤波电路发送给输入到超声换能器。

作为本发明的进一步改进，所述用户控制终端包括：人机交互界面模块、WIFI配对模块和数据存储模块；其中，

所述人机交互界面模块，用于提供用户进行刺激参数的输入和刺激模式的选择，借助智能终端的输入法或触屏进行输入操作；

所述WIFI配对模块，用于建立用户控制终端与控制发射芯片中的WIFI模块之间配对；

所述数据存储模块，用于将每次发出的刺激参数和模式信息进行保存。

作为本发明的进一步改进，所述超声换能器与控制发射芯片分别固定于贴片外壳的两侧，其中超声换能器封装于贴片一侧的小孔位置，超声换能器部分凸出用于和刺激对象的刺激位置接触；控制发射芯片封装于贴片另一侧，WIFI模块外露。

作为本发明的进一步改进，所述的贴片外壳与作用对象之间填充耦合剂，并通过一圈密封胶带固定；整个贴片外壳通过两边的固定带和胶带固定于刺激对象上。

作为本发明的进一步改进，所述超声换能器为多阵元或单阵元的换能器。

采用上述方案的有益效果是：

与现有的技术相比，本发明无线可穿戴式的超声神经刺激的装置最大的优势在于，采用无线控制与可穿戴式技术，实现了刺激装置的小型化和智能控制，使得无需对刺激对象进行麻醉固定或限制其活动，可以对处于自由运动状态下的对象施加超声神经刺激，监控其清醒时的刺激结果。同时避免了系统部件接线中的种种问题，也大大简化超声神经刺激的操作过程。此外，采用贴片式的穿戴方式可以灵活的对作用对象的任何部位进行刺激，拓宽了其使用范围。

进一步，超声换能器与控制发射芯片分别封装于贴片外壳的两侧，超声换能器部分凸出用于和刺激对象的刺激位置直接接触，刺激准确；该贴片式超声神经刺激系统装置结构简单，实现了小型化的穿戴式结构。

【附图说明】

图1是整个无线可穿戴式超声神经刺激装置的系统组成框图；

图2是贴片内部芯片集成结构示意图；

图3是刺激系统的工作流程的示意图；

图4-1是贴片固定位置的示意图；

图4-2是超声换能器与作用对象接触的示意图；

图5是用户控制界面的示意图；

其中，101、用户控制终端；102、控制发射芯片；103、超声换能器；104、贴片外壳；105、密封胶带；106、固定带；107、胶带；108、耦合剂；109、刺激对象表面；201、WIFI模块；202、CPU；203、数模转换器；204、功率放大电路；205、电源模块。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，包括：用户控制终端101，控制发射芯片102，超声换能器103和贴片外壳104。其中，用户控制终端101，用于提供给用户输入需要产生的刺激脉冲的模式与相关刺激波形参数，产生相应的控制指令并通过无线发出。控制发射芯片102，是整个装置的核心部件，用于接收用户控制终端发出的控制指令，产生相应的刺激电脉冲波形并将其放大后驱动超声换能器。超声换能器103，作用是将放大后的刺激电脉冲转换为超声刺激波束，作用于刺激对象。贴片外壳104，用于封装控制发射芯片和超声换能器，以及与刺激对象之间的接触和固定。

如图2是贴片内部芯片集成结构示意图，所述控制发射芯片102，包括了四个部分，WIFI模块201，CPU202，数模转换器203，功率放大电路204和电源模块205。所述WIFI模块201，用于接收配对的用户控制终端传输而来的刺激信息，并通过接口输入到控制电路。所述CPU202，通过内部程序命令将得到的刺激模式和参数信息通过程序输出数字脉冲，所述数模转换器203，将数字脉冲转换为模拟的刺激脉冲波形，输入到功率放大电路204。所述功率放大电路204主要包括一个由电路元器件组成的功率放大和滤波电路，放大后的电刺激脉冲则输入到超声换能器103。所述电源模块205，主要是为整个控制发射芯片电路提供工作电压。WIFI模块201接收控制指令后通过SDIO接口输出到CPU 202，CPU 202产生对应的数字信号，经过数模转换器203转换后输出到功率放大电路204再驱动超声换能器103发出超声波束。整个控制发射芯片各部分均使用电源模块205供电。

其中，所述用户控制终端101包括：人机交互界面模块，WIFI配对模块，数据存储模块。所述人机交互界面模块，用于提供用户进行刺激参数的输入和刺激模式的选择，借助手机终端的输入法或触屏进行输入操作；所述WIFI配对模块，用于建立用户控制终端与控制发射芯片中的WIFI模块之间的一对一连接配对；所述数据存储模块，用于将每次发出的刺激参数和模式信息进行保存，以便用户进行调阅。

所述超声换能器103，可以是多阵元或单阵元的换能器，由具体的刺激方式与刺激对象决定。换能器由前端的功率放大电路输出的电脉冲来驱动。

所述贴片外壳104，采用塑料外壳封装，超声换能器与控制发射芯片分别固定于两侧，其中超声换能器封装于贴片左侧的小孔位置，换能器凸出贴片外壳一小段，接触面外露，与作用对象之间填充耦合剂，并通过一圈密封胶带固定，保证发出的超声波能够准确刺激对象的固定位置；控制发射芯片封装于贴片右侧，无线接收天线外露，整个贴片外壳通过两边的固定带和胶带固定于刺激对象的特定位置。

如图3是刺激系统的使用方法如下：

S101首先进行刺激准备操作，先使用耦合剂108与密封胶带105将超声换能器103露出的接触面固定于作用对象特定的刺激位置109，然后将贴片外壳104两边的固定带106延展后，使用透明胶布107固定。

S102此时给WIFI芯片201与控制发射芯片供电，用户打开手机WIFI功能，与装置上的WIFI模块进行连接配对，连接成功后在手机终端101选择刺激模式，设置刺激参数，并点击确定发出刺激指令，WIFI模块接收。

S103经过SDIO接口输入到CPU202，S104通过写入的脉冲发生程序产生对应的数字刺激信号，并用模数转换器203转化为模拟信号，再经过功率放大电路204，S106最后驱动换能器103产生超声波束对实验对象进行神经刺激，观察对象的反应。

图4-1是贴片固定位置的示意图，贴片104的形状为椭圆形，椭圆长轴10cm左右，厚约1cm。固定时首先将前后两条固定带106延展到刺激对象的身上，使用胶带107将固定带牢牢粘合于刺激对象109的皮肤表面。图4-2是超声换能器与作用对象接触的示意图，换能器103凸出的部分与刺激对象接触面先填充一层耦合剂108，外面再用一圈密封胶带105将换能器103凸出部分固定在皮肤表面。

如图5是用户控制界面101的示意图，可以选择刺激波形与刺激模式，设置刺激强度，脉冲重复频率、脉冲宽度，刺激脉冲个数等等参数，两个按钮分别控制发出刺激命令与调阅刺激记录。

本发明的特点有：

采用无线控制技术及可穿戴式技术，将庞大的超声神经刺激系统装置集成为一个“贴片”并通过无线控制，可以对处于自由运动下的作用对象进行智能便捷的刺激。

采用贴片式的穿戴方式，可以灵活的对作用对象的任何部位进行神经刺激。

上述仅本发明较佳可行的实施例，但本发明不限于此，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，包括：用户控制终端(101)、控制发射芯片(102)、超声换能器(103)和贴片外壳(104)；其中，

用户控制终端(101)，用于输入刺激脉冲模式与相关刺激波形参数，产生对应的控制指令并通过无线发出给控制发射芯片(102)；

控制发射芯片(102)，用于接收所述的控制指令，产生相应的刺激电脉冲波形并驱动超声换能器；

超声换能器(103)，用于将刺激电脉冲波形转换为超声刺激波束，作用于刺激对象；

贴片外壳(104)，用于封装控制发射芯片(102)和超声换能器(103)，以及与刺激对象之间进行接触和固定。

2.根据权利要求1所述的一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，所述控制发射芯片(102)包括WIFI模块(201)、CPU(202)、数模转换器(203)、功率放大电路(204)和电源模块(205)；

所述WIFI模块(201)，用于接收配对的用户控制终端(101)发送的控制指令，并输入到CPU(202)；

所述CPU(202)，用于接收控制指令并根据刺激脉冲模式与刺激波形参数输出数字脉冲；

所述数模转换器(203)，将数字脉冲转换为模拟的刺激脉冲波形，输入到功率放大电路(204)；

所述功率放大电路(204)，将模拟刺激脉冲波形放大后输入到超声换能器(103)；

所述电源模块(205)，为整个控制发射芯片电路提供电源。

3.根据权利要求2所述的一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，所述功率放大电路(204)中还包括滤波电路，放大后的模拟刺激脉冲波形经过滤波电路发送给输入到超声换能器(103)。

4.根据权利要求1所述的一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，所述用户控制终端(101)包括：人机交互界面模块、WIFI配对模块和数据存储模块；其中，

所述人机交互界面模块，用于提供用户进行刺激参数的输入和刺激模式的选择，借助智能终端的输入法或触屏进行输入操作；

所述WIFI配对模块，用于建立用户控制终端(101)与控制发射芯片(102)中的WIFI模块之间配对；

所述数据存储模块，用于将每次发出的刺激参数和模式信息进行保存。

5.根据权利要求1所述的一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，所述超声换能器(103)与控制发射芯片(102)分别固定于贴片外壳(104)的两侧，其中超声换能器(103)封装于贴片一侧的小孔位置，超声换能器(103)部分凸出用于和刺激对象的刺激位置(109)接触；控制发射芯片(102)封装于贴片另一侧，WIFI模块(201)外露。

6.根据权利要求5所述的一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，所述的贴片外壳(104)与作用对象之间填充耦合剂(105)，并通过一圈密封胶带(105)固定；整个贴片外壳(104)通过两边的固定带(106)和胶带(107)固定于刺激对象上。

7.根据权利要求1所述的一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，其特征在于，所述超声换能器(103)为多阵元或单阵元的换能器。