CN106344009A - 一种生物电反馈脑功能康复辅助装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物电反馈脑功能康复辅助装置，包括：脑电波监测模块，采集用户的脑电波信号并提取信号的特征，监测是否异常；经颅刺激模块，根据异常的脑电波信号发出电磁刺激信号；数据交换模块，实现脑电波监测模块与经颅刺激模块的数据交互；经颅刺激模块包括电疗磁疗单元、PCM编码器、PCM解码器和数模转换器，电疗磁疗单元包括至少两个电极和至少一个磁极，PCM编码器对每个电极输出的波形进行编码得到PCM编码的波形文件；PCM解码器解码出各电极的波形数据和真值；数模转换器将真值转换为控制信号，切换电极的极性，将波形数据转换为电流信号经电极输出。本发明实现了程序化即时控制用于经颅刺激的电极极性，对于远程应用具有很好的前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学技术领域，具体涉及一种生物电反馈脑功能康复辅助装置。
背景技术
经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)是一种利用恒定、低强度直流电(0.1～2mA)调节大脑皮层神经元活动的技术，tDCS有两个不同的电极及其供电电池设备，外加一个控制软件设置刺激类型的输出，以微弱极化直流电作用于大脑皮质。刺激方式包括阳极刺激、阴极刺激和伪刺激，阳极刺激通常能增强刺激部位神经元的兴奋性，阴极刺激则能降低刺激部位神经元的兴奋性。与其他非侵入性脑刺激技术如经颅电刺激和经颅磁刺激不同，tDCS不是通过阈上刺激引起神经元放电，而是通过调节神经网络的活性而发挥作用，在神经元水平，tDCS对皮层兴奋性调节的基本机制是依据刺激的极性不同引起静息膜电位超极化或者去极化的改变，阳极刺激通常使皮层的兴奋性提高，阴极刺激则降低皮层的兴奋性。
例如，中国实用新型专利CN202777455U公开了一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置，包括tDCS电极阵列、电源与控制单元，其中，tDCS电极阵列为基于10-20国际电极放置法在头颅表面设置的多通道的圆形导电电极，该tDCS电极阵列中各通道电极与电源之间分别通过独立的控制单元连接，各通道电极极性以及电流强度由这些独立的控制单元分别控制。
上述经颅直流电刺激装置存在以下问题：只能改变电压、电流和频率等，不能即时改变和切换电极极性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现经颅直流电刺激装置的电极极性的即时改变和切换的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种生物电反馈脑功能康复辅助装置，包括：
脑电波监测模块，采集用户的脑电波信号并提取脑电波信号的特征，监测脑电波信号是否异常；
经颅刺激模块，根据异常的脑电波信号发出用于刺激用户经颅的电磁刺激信号；
数据交换模块，实现所述脑电波监测模块与所述经颅刺激模块的数据交互；
所述经颅刺激模块包括用于执行电疗或磁疗操作的电疗磁疗单元、PCM编码器、PCM解码器和数模转换器，所述电疗磁疗单元包括至少两个电极和至少一个磁极；
所述PCM编码器对每个电极输出的波形进行编码，得到PCM编码的波形文件；所述PCM解码器读取所述PCM编码的波形文件，解码出各电极对应的波形数据和表示电极极性的真值；所述数模转换器将各电极对应的真值转换为控制信号，切换电极的极性，并将对应的波形数据转换为电流信号经电极输出。
在上述技术方案中，所述真值包括0和1；
真值0对应的控制信号为：接通电极的阴极；
真值1对应的控制信号为：接通电极的阳极。
在上述技术方案中，所述经颅刺激模块还包括音波理疗单元，所述音波理疗单元由第一音波发生器和第二音波发生器组成，所述经颅刺激模块通过骨传导，将所述第一音波发生器和第二音波发生器产生的乐音波刺激信号和非乐音波刺激信号刺激用户经颅。
在上述技术方案中，还包括经颅刺激优化模块和专家干预模块；
所述经颅刺激优化模块通过所述数据交互模块接收所述脑电波监测模块的反馈信号，基于专家干预模块和保存有所有用户的经颅刺激方案和经颅刺激结果记录的大数据平台，通过分析计算用户当前的健康指标数据，对所述经颅刺激方案进行相应的优化调整；
所述专家干预模块，用于在线专家通过分析用户的健康指标数据和经颅刺激结果记录，对所述经颅刺激方案进行干预。
在上述技术方案中，还包括实现用户与所述数据交换模块交互的交互终端，所述交互终端向用户实时发送健康指标数据，并通过所述数据交换模块将获取到的用户的行为信息和行为量表发送到所述脑电波监测模块。
在上述技术方案中，所述脑电波监测模块包括EEG采集单元，所述EEG采集单元由主电极、参考电极和接地线组成，用于采集用户的脑电波信号。
在上述技术方案中，所述电磁刺激信号包括经颅磁刺激信号、经颅直流电刺激信号、经颅交流电刺激信号、乐音波刺激信号和非乐音波刺激信号，所述非乐音波刺激信号由经颅超声波刺激信号、经颅次声波刺激信号、经颅噪声刺激信号和经颅白噪声刺激信号组成。
本发明通过PCM编码器对每个电极输出的波形进行PCM编码，得到PCM编码的波形文件，通过PCM解码器读取PCM编码的波形文件，解码出各电极对应的波形数据和表示电极极性的真值，通过数模转换器将各电极对应的真值转换为控制信号，切换电极的极性，实现了程序化即时控制用于经颅刺激的电极极性，对于远程应用具有很好的前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种生物电反馈脑功能康复辅助装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于电极极性控制的真值表；
图3为本发明实施例提供的PCM编码的波形文件的存储结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种生物电反馈脑功能康复辅助装置的实现流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明实施例提供了一种生物电反馈脑功能康复辅助装置，如图1所示，包括：
脑电波监测模块1，通过用户的皮肤采集生物电信号，通过分析芯片和放大滤波从生物电信号中分离出表征大脑活动状态的0.5～100赫兹的脑电波信号，并提取脑电波信号的特征，监测脑电波信号是否异常；
脑电波监测模块1包括EEG采集单元10，EEG采集单元10由主电极、参考电极和接地线组成；
经颅刺激模块2，根据异常的脑电波信号发出电磁刺激信号，刺激用户的经颅，改善和影响用户的脑功能；
经颅刺激模块2包括用于执行电疗或磁疗操作的电疗磁疗单元20、音波理疗单元21、PCM编码器22、PCM解码器23和数模转换器24；电疗磁疗单元20包括至少两个电极第一电极和第二电极(电疗磁疗单元20可以采用一个阳极加一个阴极，一个阳极加多个阴极，多个阳极加多个阴极或多个阳极加一个阴极)和至少一个磁极；音波理疗单元21包括第一音波发生器和第二音波发生器，经颅刺激模块2将第一音波发生器和第二音波发生器产生的乐音波刺激信号和非乐音波刺激信号通过骨传导刺激用户经颅；
数据交换模块3，实现脑电波监测模块1与经颅刺激模块2的数据交互；
经颅刺激优化模块4，通过数据交互模块3接收脑电波监测模块1的反馈信号，基于专家干预模块5和保存有所有用户的经颅刺激方案和经颅刺激结果记录的大数据平台，通过分析计算用户当前的健康数据指标，对经颅刺激方案进行相应的优化调整。
专家干预模块5，由在线的医疗专家或者服务人员主动分析用户的健康指标数据和经颅刺激结果记录，主动对经颅刺激方案进行干预，为用户的经颅刺激方案提供帮助，从而减少软件自动生成报告或者数据抽样过程中的错误。
交互终端6，实现用户与数据交换模块3的交互，交互终端6向用户实时发送健康指标数据，并通过数据交换模块3将获取到的用户的行为信息和行为量表(例如通过游戏获得用户手指灵敏度信息、通过游戏或者文件得到行为量表分析数据)发送到脑电波监测模块1，用户的行为信息作为分析用户脑功能障碍的重要参数，对经颅刺激方案的优化具有重要作用。
大数据平台保存有所有用户的经颅刺激方案和经颅刺激结果记录，从中分析抽取数据，并作为评价个人用户经颅刺激方案效果的参考，分析抽取数据的方法包括规则方法、模糊方法、神经网络学习、贝叶斯方法、专家系统方法、机器学习和决策树等智能方法。
如图2和图3所示，本发明为每个电极定义一个信号通道，通过PCM编码器22对每个电极输出的波形进行编码，得到PCM编码的波形文件，所有电极构成一个阵列，每个电极输出的波形均有一段编码，PCM解码器23读取PCM编码的波形文件，解码出各电极对应的波形数据和表示电极极性的真值；数模转换器24将各电极对应的真值转换为控制信号，切换电极的极性，并将对应的波形数据转换为电流信号经电极输出。
上述真值包括0和1，真值0对应的控制信号为：接通电极的阴极；真值1对应的控制信号为：接通电极的阳极；每个电极既可以作为阳极使用也可以作为阴极使用。
PCM编码的波形文件的存储格式如图3所示，由ID域、数据采样频率、通道数和数据域四个部分构成，ID域表示本PCM编码的波形文件的类型；数据采样频率表示电磁刺激信号的波特率；通道数表示电极的数量；数据域存储波形数据和真值表。
经颅刺激模块2用于刺激经颅的电磁刺激信号包括经颅磁刺激信号、经颅直流电刺激信号、经颅交流电刺激信号、乐音波刺激信号和非乐音波刺激信号，非乐音波刺激信号由经颅超声波刺激信号、经颅次声波刺激信号、经颅噪声刺激信号和经颅白噪声刺激信号组成。
脑电波监测模块1和经颅刺激模块2的工作原理为：
主电极采集脑电波信号，输出给数据交换模块3，数据交换模块3发送相应的电疗或磁疗操作代码和数据到经颅刺激模块2，第一电极、第二电极或磁极执行相应的电疗或磁疗操作；数据交换模块3发送音波引导操作代码和数据到经颅刺激模块2，第一音波发生器和第二音波发生器执行音波理疗操作，脑电波监测模块1监测用户脑功能改善的效果。
本发明形成了一个完整的经颅刺激、经颅刺激效果监测、经颅刺激方案分析和优化闭合循环的生物电反馈脑功能康复辅助装置，优化过程基于在线专家的干预和保存有所有用户的经颅刺激方案和经颅刺激结果记录的大数据平台，减少了软件自动生成报告或者数据抽样过程中的错误，同时发挥了大数据平台在经颅刺激方案优化过程中的作用，通过对每个电极输出的波形进行PCM编码，得到PCM编码的波形文件，读取PCM编码的波形文件，解码出各电极对应的波形数据和表示电极极性的真值，利用真值切换电极的极性，实现程序化控制用于经颅刺激的电流、电压或电极的极性，对于远程应用具有很好的前景。
同时，用户通过交互终端(APP)与装置进行交互，交互终端采集用户的行为信息和行为量表，用户的行为信息作为分析用户脑功能障碍的重要参数，对经颅刺激方案的优化具有重要作用。
如图4所示，为本发明提供的一种生物电反馈脑功能康复辅助装置的实现流程图，具体包括以下步骤：
S1、采集用户的脑电波信号，监测经颅刺激的效果。
S2、将用户的脑电波信号发送到交互终端(APP)，并提取脑电波信号的特征。
S3、根据脑电波信号的特征，判断脑电波信号是否正常，如果正常，转S7；否则，转S4。
S4、对异常的脑电波信号进行分类。
S5、从经颅刺激方案库提取针对该类异常脑电波信号的理疗方案，并保存异常的脑电波信号和其分类结果。
S6、读取经颅刺激方案，执行相应的经颅刺激操作，刺激延续时长10～20分钟，转S1。
S7、保存正常的脑电波信号。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种生物电反馈脑功能康复辅助装置，其特征在于，包括：
脑电波监测模块，采集用户的脑电波信号并提取脑电波信号的特征，监测脑电波信号是否异常；
经颅刺激模块，根据异常的脑电波信号发出用于刺激用户经颅的电磁刺激信号；
数据交换模块，实现所述脑电波监测模块与所述经颅刺激模块的数据交互；
所述经颅刺激模块包括用于执行电疗或磁疗操作的电疗磁疗单元、PCM编码器、PCM解码器和数模转换器，所述电疗磁疗单元包括至少两个电极和至少一个磁极；
所述PCM编码器对每个电极输出的波形进行编码，得到PCM编码的波形文件；所述PCM解码器读取所述PCM编码的波形文件，解码出各电极对应的波形数据和表示电极极性的真值；所述数模转换器将各电极对应的真值转换为控制信号，切换电极的极性，并将对应的波形数据转换为电流信号经电极输出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真值包括0和1；
真值0对应的控制信号为：接通电极的阴极；
真值1对应的控制信号为：接通电极的阳极。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述经颅刺激模块还包括音波理疗单元，所述音波理疗单元由第一音波发生器和第二音波发生器组成，所述经颅刺激模块通过骨传导，将所述第一音波发生器和第二音波发生器产生的乐音波刺激信号和非乐音波刺激信号刺激用户经颅。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括经颅刺激优化模块和专家干预模块；
所述经颅刺激优化模块通过所述数据交互模块接收所述脑电波监测模块的反馈信号，基于专家干预模块和保存有所有用户的经颅刺激方案和经颅刺激结果记录的大数据平台，通过分析计算用户当前的健康指标数据，对所述经颅刺激方案进行相应的优化调整；
所述专家干预模块，用于在线专家通过分析用户的健康指标数据和经颅刺激结果记录，对所述经颅刺激方案进行干预。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括实现用户与所述数据交换模块交互的交互终端，所述交互终端向用户实时发送健康指标数据，并通过所述数据交换模块将获取到的用户的行为信息和行为量表发送到所述脑电波监测模块。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脑电波监测模块包括EEG采集单元，所述EEG采集单元由主电极、参考电极和接地线组成，用于采集用户的脑电波信号。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电磁刺激信号包括经颅磁刺激信号、经颅直流电刺激信号、经颅交流电刺激信号、乐音波刺激信号和非乐音波刺激信号，所述非乐音波刺激信号由经颅超声波刺激信号、经颅次声波刺激信号、经颅噪声刺激信号和经颅白噪声刺激信号组成。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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