CN106581854A - 一种经颅直流电刺激装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经颅直流电刺激装置及工作方法，包括设置在壳体内的处理单元，壳体上设置有刺激电极插孔、系统显示屏、系统电源键、电流调节旋钮和控制按键，刺激电极插孔、系统显示屏、系统电源键、电流调节旋钮和控制按键均连接处理单元，刺激电极插孔具有正极和负极，通过设置在壳体内部的处理单元对电流和时间进行控制，通过刺激电极插孔插入的电极对患者进行治疗，通过阻抗检测模块监测刺激电极是否与头皮接触，通过电流检测模块检测电流是否过大，本装置能够在电刺激过程中实时测量刺激脑区的阻抗，且体积小，重量轻，便于携带，操作简单。

Description

一种经颅直流电刺激装置及工作方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种经颅直流电刺激装置及工作方法。

背景技术

随着社会的发展以及人口老龄化进程的加快，一些神经系统疾病，例如阿尔茨海默症(老年痴呆)等的发病率越来越高。据统计，目前，我国阿尔茨海默症患者多达500万人，而且每年平均有30万新发病例，预计到2030年，我国将有1000万以上的阿尔茨海默症患者。阿尔茨海默症患者具有记忆障碍、执行功能障碍、食欲等临床表现，因此严重影响了患者的正常生活。

经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)是一种非侵入性的、低成本以及易于使用的技术。它通过将两个电极(通常是一个阴极和一个阳极)贴在颅骨的不同区域，向颅内的特定区域输送恒定的、低强度的(1～2mA)的直流电，从而提高或降低大脑皮层神经元的兴奋性，进而引起大脑功能性的改变，可用于阿兹海默症、帕金森病以及认知障碍等疾病的临床治疗研究。

现有专利提供的经颅直流电刺激装置存在诸多不足之处，如专利号为201410597221.1的专利文件介绍的经颅直流电刺激装置，不能检测负载阻抗，而且电刺激装置的安全性不高；专利号为201210042918.3的专利文件介绍的经颅直流电刺激装置虽然能够测量负载阻抗，但是允许负载阻抗达不到临床要求。除此之外，这些经颅直流电刺激装置无法保存电流强度、电极的极性以及刺激脑区部位等信息，难以为临床分析或进一步的治疗提供有效的参考。而且当一次经颅直流电刺激时间较长时，需要停止刺激，更换电池，影响经颅直流电刺激的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种经颅直流电刺激装置及工作方法，在电刺激过程中能够实时测量刺激脑区的阻抗，记录并保存电流强度、电极的极性、刺激脑区部位以及刺激脑区的阻抗等信息，并且延长了电刺激装置的电池使用时间。

为了达到上述目的，一种经颅直流电刺激装置，包括设置在壳体内的处理单元，壳体上设置有刺激电极插孔、系统显示屏、系统电源键、电流调节旋钮和控制按键，刺激电极插孔、系统显示屏、系统电源键、电流调节旋钮和控制按键均连接处理单元，刺激电极插孔具有正极和负极；

所述处理单元包括具有A/D转换模块的微处理器MCU，微处理器MCU连接操作模块和液晶显示模块，微处理器MCU通过A/D转换模块连接电池电量检测模块、阻抗检测模块和电流检测模块，电池电量检测模块连接供电模块，供电模块连接升压模块，升压模块连接恒流源模块，恒流源模块连接电流检测模块和刺激模块，刺激模块连接阻抗检测模块；

所述恒流源模块连接刺激电极插孔的负极，升压模块连接刺激电极插孔的正极，操作模块连接控制按键和电流调节旋钮，液晶显示模块连接系统显示屏；

所述恒流源模块用于输出强度恒定的直流电刺激，且刺激电流强度在允许范围内连续可调；

所述阻抗检测模块用于测量刺激脑区的阻抗；

所述电流检测模块用于指导刺激前刺激电流强度的设定，并且监测刺激过程中刺激电流的大小。

所述电流检测模块通过过流保护及报警模块连接微处理器MCU，过流保护及报警模块用于当刺激电流超出所允许的最大电流时，能够切断电源以及恒流源与刺激电极的连接，并进行声音和光的报警。

所述微处理器MCU通过蓝牙模块连接上位机。

所述供电模块采用一块方形9V镍氢充电电池。

所述升压模块包括DC-DC转换芯片，DC-DC转换芯片的1脚连接高速开关二极管D的正极和电感L的一端，2脚接地，3脚通过第一电容CT接地，4脚接地，5脚连接第一电阻R1和第二电阻R2的一端，6脚连接第三电阻RSC的一端、第三电容C1的正极以及电池正极Vin，7脚连接第三电阻RSC的另一端、电感L的另一端以及第四电阻R第一端，8脚连接第四电阻R的另一端，高速开关二极管D的负极连接第二电阻R2的另一端、第二电容C0的正极以及升高后的输出电压Vout，第二电阻R1的另一端连接第二电容C0的负极和第三电容C1的负极并接地。

所述微处理器MCU采用低功耗的MSP430系列单片机。

所述控制按键包括确定键、上选择键和下选择键。

一种经颅直流电刺激装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，按下电源键，系统启动后，对微处理器MCU进行初始化，对外围芯片进行初始化；

步骤二，将与刺激电极相连的导线插入装置的电极插孔中，并选择刺激部位；

步骤三，将刺激电极贴在头皮选定的刺激部位，阻抗检测模块检测刺激电极是否与头皮接触紧密，若紧密，则进行下一步，反之则在系统显示屏上提示，并重新进行外围芯片初始化；

步骤四，设置刺激电流强度，设置刺激时间，并启动确定键；

步骤五，系统开始进行刺激，并通过阻抗检测模块和电流检测模块进行数据采集，显示在系统显示屏上；

步骤六，电流检测模块判断电流是否超过最大值，若否，则继续刺激，若是，则报警，并停止刺激；

步骤七，微处理器MCU判断刺激时间是否完成，若否，则继续刺激，若是，则停止刺激。

所述步骤五中的数据通过蓝牙传输至上位机。

与现有技术相比，本发明的装置通过设置在壳体内部的处理单元对电流和时间进行控制，通过刺激电极插孔插入的电极对患者进行治疗，通过阻抗检测模块监测刺激电极是否与头皮接触，通过电流检测模块检测电流是否过大，本装置能够在电刺激过程中实时测量刺激脑区的阻抗，且体积小，重量轻，便于携带，操作简单。

进一步的，本发明重新设计了升压模块，在保证装置满足需要的同时，降低了功耗，使电池能够满足更长时间的经颅直流电刺激，避免因更换电池中断刺激，影响刺激效果。

进一步的，本发明通过蓝牙模块连接上位机，不仅能够将刺激数据保存在手机中，而且可以查询任意时间点的刺激数据信息。

本发明的方法在电池以及升压电路的支持下，恒流源能够为刺激电极间的负载提供恒定的直流电刺激；流经刺激电极的电流强度以及刺激电极间的阻抗通过电流检测电路和阻抗检测电路转化为相应的模拟电压信号，通过微处理器MCU内部的A/D模块转换为数字信号，并计算相应的电流值以及阻抗值；当刺激电流超过所允许的最大值时，一方面电流检测电路转化成的模拟电压与预设电压经比较器比较，能够快速切断电源，同时，微处理器的I/O口发送信号，切断恒流源与刺激电极的连接，达到双重保护，并进行声音和光的报警；如果计算出来的阻抗值远大于正常值，则认定刺激电极与头皮接触不严密，会在液晶显示屏上提示；所计算出来的电流值以及阻抗值一方面在液晶显示屏上实时显示，另一方面通过蓝牙发送至上位机进行保存。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明的产品外观示意图；

图3位本发明的升压模块电路图；

图4为本发明的软件流程图；

图5为本发明的操作流程图；

其中，1、壳体；2、刺激电极插孔；3、系统显示屏；4、系统电源键；5、电流调节旋钮；6、确定键；7、上选择键；8、下选择键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种经颅直流电刺激装置，包括设置在壳体1内的处理单元，壳体1上设置有刺激电极插孔2、系统显示屏3、系统电源键4、电流调节旋钮5和控制按键，刺激电极插孔2、系统显示屏3、系统电源键4、电流调节旋钮5和控制按键均连接处理单元，刺激电极插孔2具有正极和负极；

处理单元包括具有A/D转换模块的微处理器MCU，微处理器MCU连接操作模块和液晶显示模块，微处理器MCU通过A/D转换模块连接电池电量检测模块、阻抗检测模块和电流检测模块，电池电量检测模块连接供电模块，供电模块连接升压模块，升压模块连接恒流源模块，恒流源模块连接电流检测模块和刺激模块，刺激模块连接阻抗检测模块，电流检测模块通过过流保护及报警模块连接微处理器MCU，过流保护及报警模块用于当刺激电流超出所允许的最大电流时，能够切断电源以及恒流源与刺激电极的连接，并进行声音和光的报警，微处理器MCU通过蓝牙模块连接上位机；

恒流源模块连接刺激电极插孔2的负极，升压模块连接刺激电极插孔2的正极，操作模块连接控制按键和电流调节旋钮5，液晶显示模块连接系统显示屏3；

恒流源模块是由可控精密稳压源与MOSFET构成，用于输出强度恒定的直流电刺激，且刺激电流强度在允许范围内连续可调；

阻抗检测模块用于测量刺激脑区的阻抗；

电流检测模块一方面通过比较器与过流保护及报警模块相连，另一方面与微处理器MCU内部的A/D模块相连，能够指导刺激前刺激电流强度的设定，并且监测刺激过程中刺激电流的大小。

过流保护及报警模块，一方面通过比较器与电流检测模块相连，另一方面与微处理器MCU的I/O口相连接，当刺激电流超出所允许的最大电流时，能够快速切断电源以及恒流源与刺激电极的连接，提供双重保护，并进行声音和光的报警。

参见图3，升压模块包括DC-DC转换芯片，DC-DC转换芯片的1脚连接高速开关二极管D的正极和电感L的一端，2脚接地，3脚通过第一电容CT接地，4脚接地，5脚连接第一电阻R1和第二电阻R2的一端，6脚连接第三电阻RSC的一端、第三电容C1的正极以及电池正极Vin，7脚连接第三电阻RSC的另一端、电感L的另一端以及第四电阻R第一端，8脚连接第四电阻R的另一端，高速开关二极管D的负极连接第二电阻R2的另一端、第二电容C0的正极以及升高后的输出电压Vout，第二电阻R1的另一端连接第二电容C0的负极和第三电容C1的负极并接地。

升压模块是利用DC-DC转换芯片将供电模块输出的电压升高至所需大小，为恒流源模块输出电流刺激提供支持；升压芯片采用常见的DC-DC转换芯片，鉴于常用的升压电路转换效率低，功耗大，本发明对升压电路的参数进行了优化，通过改变电阻RSC、电感L以及电容CT的大小，有效的增高了转换效率，减小了功耗，延长了电池工作时间，能够满足更长时间的经颅直流电刺激

优选的，供电模块采用一块方形9V镍氢充电电池，为其他各个模块供电，微处理器MCU采用MSP430系列单片机，内部的A/D模块与电流检测模块、阻抗检测模块和电池电量检测模块直接相连，此外，过流保护及报警模块、液晶显示模块和操作模块与微处理器MCU的I/O口直接相连，控制按键包括确定键6、上选择键7和下选择键8。

液晶显示模块，不仅能够提示刺激电极与头皮是否接触严密，而且能够显示刺激电流的强度、刺激脑区的阻抗大小、刺激时间以及电池剩余电量。

上位机是基于用于经颅直流电刺激监控的软件，能够实时显示出所记录的刺激电流强度和刺激脑区阻抗曲线；不仅可以储存每次刺激时蓝牙模块发送的电流强度、电极的极性、刺激脑区部位以及刺激脑区的阻抗信息，而且可以查询以往任意时间点的刺激信息。

参见图4和图5，一种经颅直流电刺激装置的工作方法包括以下步骤：

步骤一，按下电源键，系统启动，对微处理器MCU进行初始化，对外围芯片进行初始化；

步骤二，将与刺激电极相连的导线插入装置的电极插孔中，并选择刺激部位；

步骤三，将刺激电极贴在头皮选定的刺激部位，阻抗检测模块检测刺激电极是否与头皮接触紧密，若紧密，则进行下一步，反之则在系统显示屏3上提示，并重新进行外围芯片初始化；

步骤四，设置刺激电流强度，设置刺激时间，并启动确定键；

步骤五，系统开始进行刺激，并通过阻抗检测模块和电流检测模块进行数据采集，显示在系统显示屏3上，数据通过蓝牙传输至上位机；

步骤六，电流检测模块判断电流是否超过最大值，若否，则继续刺激，若是，则报警，并停止刺激；

步骤七，微处理器MCU判断刺激时间是否完成，若否，则继续刺激，若是，则停止刺激。

Claims (9)

1.一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，包括设置在壳体(1)内的处理单元，壳体(1)上设置有刺激电极插孔(2)、系统显示屏(3)、系统电源键(4)、电流调节旋钮(5)和控制按键，刺激电极插孔(2)、系统显示屏(3)、系统电源键(4)、电流调节旋钮(5)和控制按键均连接处理单元，刺激电极插孔(2)具有正极和负极；

所述处理单元包括具有A/D转换模块的微处理器MCU，微处理器MCU连接操作模块和液晶显示模块，微处理器MCU通过A/D转换模块连接电池电量检测模块、阻抗检测模块和电流检测模块，电池电量检测模块连接供电模块，供电模块连接升压模块，升压模块连接恒流源模块，恒流源模块连接电流检测模块和刺激模块，刺激模块连接阻抗检测模块；

所述恒流源模块连接刺激电极插孔(2)的负极，升压模块连接刺激电极插孔(2)的正极，操作模块连接控制按键和电流调节旋钮(5)，液晶显示模块连接系统显示屏(3)；

所述恒流源模块用于输出强度恒定的直流电刺激，且刺激电流强度在允许范围内连续可调；

所述阻抗检测模块用于测量刺激脑区的阻抗；

所述电流检测模块用于指导刺激前刺激电流强度的设定，并且监测刺激过程中刺激电流的大小。

2.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述电流检测模块通过过流保护及报警模块连接微处理器MCU，过流保护及报警模块用于当刺激电流超出所允许的最大电流时，能够切断电源以及恒流源与刺激电极的连接，并进行声音和光的报警。

3.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述微处理器MCU通过蓝牙模块连接上位机。

4.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述供电模块采用一块方形9V镍氢充电电池。

5.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述升压模块包括DC-DC转换芯片，DC-DC转换芯片的1脚连接高速开关二极管D的正极和电感L的一端，2脚接地，3脚通过第一电容CT接地，4脚接地，5脚连接第一电阻R1和第二电阻R2的一端，6脚连接第三电阻RSC的一端、第三电容C1的正极以及电池正极Vin，7脚连接第三电阻RSC的另一端、电感L的另一端以及第四电阻R第一端，8脚连接第四电阻R的另一端，高速开关二极管D的负极连接第二电阻R2的另一端、第二电容C0的正极以及升高后的输出电压Vout，第二电阻R1的另一端连接第二电容C0的负极和第三电容C1的负极并接地。

6.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述微处理器MCU采用低功耗的MSP430系列单片机。

7.根据权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述控制按键包括确定键(6)、上选择键(7)和下选择键(8)。

8.权利要求1所述的一种经颅直流电刺激装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，按下电源键(4)，系统启动，对微处理器MCU进行初始化，对外围芯片进行初始化；

步骤二，将与刺激电极相连的导线插入装置的电极插孔中，并选择刺激部位；

步骤三，将刺激电极贴在选定的头皮刺激部位，阻抗检测模块检测刺激电极是否与头皮接触紧密，若紧密，则进行下一步，反之则在系统显示屏(3)上提示，并重新进行外围芯片初始化；

步骤四，设置刺激电流强度，设置刺激时间，并启动确定键(6)；

步骤五，系统开始进行刺激，并通过阻抗检测模块和电流检测模块进行数据采集，显示在系统显示屏(3)上；

步骤六，电流检测模块判断电流是否超过最大值，若否，则继续刺激，若是，则报警，并停止刺激；

步骤七，微处理器MCU判断刺激时间是否完成，若否，则继续刺激，若是，则停止刺激。

9.根据权利要求8所述的种经颅直流电刺激装置的工作方法，其特征在于，所述步骤五中的数据通过蓝牙传输至上位机。