CN107497051A - 一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置及经颅磁刺激方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置,包括定位帽,及设置在定位帽上的fNIRS信号采集系统、TMS刺激系统还包括分析控制装置，所述分析控制装置分别连接所述TMS刺激系统和fNIRS信号采集系统。本发明利用被试者本身的近红外信号来设定个性化的经颅磁刺激参数，避免了过量刺激或者刺激不足。本发明简单易行，操作方便，便于在经颅磁刺激中根据实时近红外信号调整经颅磁刺激参数，满足个性化治疗的需求，提高了经颅磁刺激的刺激疗效，扩大了近红外信号检测的应用范围，为神经科学的科研、检测、治疗提供了一种新的方法和实用工具。
Description
技术领域
本发明涉及神经疾病治疗和脑功能研究的技术领域，尤其是涉及一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置及一种经颅磁刺激方法。
背景技术
经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)是1985年以后出现的无创性大脑皮质刺激和调制的新技术，在脑科学研究与临床诊断、治疗方面得到广泛应用。TMS用脉冲磁场作用于中枢神经系统，改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。经颅磁刺激技术由于其无创和无损已被广泛的应用于神经疾病治疗和脑功能研究中心。TMS一般在医院中使用，其磁场强度至少为1Tesla的强磁场，由于存在潜在的诱发癫痫的风险，对于TMS设备的使用条件较高，需要专业人士操作。
TMS调控神经功能的原理是用不同刺激模式和刺激参数作用于大脑局部区域，可双向调节神经功能，既可促进神经兴奋性，也可抑制神经兴奋性。可用高频重复刺激提高刺激部位的耗氧量和新陈代谢，从而提高兴奋性。低频重复刺激相反，可减少刺激部位的血流量，抑制神经兴奋性。但影响TMS的刺激效果的因素还有很多，如刺激强度，刺激模式，个体差异等都会影响TMS刺激效果，因此TMS需要综合考虑这些因素，确定个性化的刺激参数，及时观察刺激效果，调整刺激参数。
20世纪90年代出现的功能性近红外光谱(functional near-infraredspectroscopy,fNIRS)技术能够提供局部大脑区域的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度变化信息，fNIRS的工作原理简单可靠，由发射端发射出波长为850nm和760nm的近红外光，分别可以检测氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，可用具有相同频率特性的光电接收二极管或光电池作为探头，检测不同频率近红外线的散射，然后对信号放大、滤波、可实时显示每个位于大脑表面不同部位检测通道上光强的变化，从而反映不同大脑部位氧合血红蛋白和去氧血红蛋白含量的变化。fNIRS能够反映大脑局部血红蛋白含量的变化，其准确性和可信性已被fMRI和PET证实。但这两种设备都非常昂贵、检测时间长、头部不能移动、封闭的环境容易产生幽闭恐惧，这些因素也影响了刺激结果，难以普及和应用。
在“Optical imaging of phonological processing in two distinctorthographies”这篇文献中，哈佛大学的Chen等人用功能近红外光谱技术来比较中英文两种不同的正字法的神经激活的时间序列。母语分别为英语和汉语的被试通过同音字判断任务。得到不同的脑区(左脑额中回，左颞上回，左缘上回)的血液动力学的时间序列的改变。在“A near-infrared brain function study of Chinese dyslexic children”也有人用近红外光谱技术研究患有阅读障碍人群。Song等人使用辅音-元音判断任务作为任务组，相比于控制组，他们研究发现患有阅读障碍的儿童在左侧前额叶背外侧皮质的氧合血红蛋白和血红蛋白总量都减少了。这个结果也支持前人的研究，在中国患有阅读障碍的儿童，他们发音有问题的原因可以解释为左侧前额叶背外侧皮质减少，他们的研究还发现在左侧额下回和左脑额中回，患有阅读障碍的儿童有不规则的血液动力学模式，这个研究提供了一个新的诊断目标，并且可以用近红外光谱技术来进行诊断。在“Dissociating parieto-frontal networks for phonological and sematic word decisions”中，用条件-干扰经颅磁刺激任务来探究语音和语义单词判断的颞叶和额叶网络的分离。在“TMS suppressionof right pars triangularis,but not pars opercularis,improves naming inaphasia”发现用经颅磁刺激来抑制右侧部分三角肌来提高改善失语症患者的命名能力。
现有技术及缺点：
现有的刺激系统多是根据专业人员的经验选择相关的刺激参数，如刺激强度、刺激频率、刺激时间，不能对刺激效果定量化，并根据量化结果进行动态调节。经验性的参数设置与传统的刺激模式难以满足个性化的治疗需求，容易导致过量刺激或者刺激不足，不能达到有效的或最佳的刺激效果。
目前也有用脑电(EEG)来调控TMS的方法提出，但TMS脉冲过程中对患者脑电图的监控存在技术问题，因为TMS设备所产生的高能量动态磁场会在脑电图引线中感生出不期望的电压，故一般会在未产生TMS脉冲刺激时，检测EEG信号，使用时有限制。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种经颅磁刺激装置。
为解决上述技术问题，本发明的首要目的是提供一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置，包括定位帽,及设置在定位帽上的fNIRS信号采集系统、TMS刺激系统，还包括分析控制装置，所述分析控制装置分别连接所述TMS刺激系统和fNIRS信号采集系统。
进一步的，所述fNIRS信号采集系统包括fNIRS信号采集模块、存储模块、通信模块，所述fNIRS信号采集模块、存储模块、通信模块分别互相连接。
进一步的，所述TMS刺激系统包括通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统，所述通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统依次连接。
进一步的，所述fNIRS信号采集模块包括发射探头和接受探头。
更进一步的，所述发射探头和接受探头为扁平状，所述发射探头和接受探头高度小于1cm,所述发射探头和接受探头间隔不大于6cm。
进一步的，所述TMS刺激系统的刺激深度为3至5cm。
进一步的，所述定位帽为以国际脑电10-20系统为基础设计的定位帽，每个孔洞之间间距为3cm。
进一步的，包括分析控制装置，所述分析控制装置连接所述TMS刺激系统和fNIRS信号采集系统。
更进一步的，所述分析控制装置包括可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路，所述可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路依次连接。
本发明的又一目的是提供一种经颅磁刺激方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.使用如上所述的经颅磁刺激装置，
S2.当刺激状态下与初始静息状态下能量百分比在90％～110％之间时，刺激强度和刺激频率保持不变；当能量百分比低于90％时，增加刺激强度和刺激频率；当能量百分比超过110％时，减少刺激强度和刺激频率。
进一步的，刺激强度的最小值为60％静息运动阈值，最大值为120％静息运动阈值，刺激频率的最小值为1Hz，最大值为20Hz。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明在临床操作上简单省时，只需先佩戴好近红外定位帽，在相应位置插入近红外发射端和接收端，再将经颅磁刺激线圈与头皮紧密接触就可让两种设备互补影响，同时工作。
本发明利用被试者本身的近红外信号来设定个性化的经颅磁刺激参数，避免了过量刺激或者刺激不足。简单易行，操作方便，便于在经颅磁刺激中根据实时近红外信号调整经颅磁刺激参数，满足个性化治疗的需求，提高了经颅磁刺激的刺激疗效，扩大了近红外信号检测的应用范围，为神经科学的科研、检测、治疗提供了一种新的方法和实用工具。
附图说明
图1是本发明一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置的结构示意图；
图2是本发明一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置的结构示意图；
图3是本发明一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置一实施例中用于在TMS(经颅磁刺激)期间监控患者fNIRS(近红外信号)的时间示意图；
图4是本发明一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置一实施例中fNIRS信号采集系统发射端和接收端放置位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的首要目的是提供一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置，包括定位帽,及设置在定位帽上的fNIRS信号采集系统、TMS刺激系统，还包括分析控制装置，所述分析控制装置分别连接所述TMS刺激系统和fNIRS信号采集系统。
作为具体实施例的改进，所述fNIRS信号采集系统包括fNIRS信号采集模块、存储模块、通信模块，所述fNIRS信号采集模块、存储模块、通信模块分别互相连接。
作为具体实施例的改进，所述TMS刺激系统包括通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统，所述通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统依次连接。
作为具体实施例的改进，所述fNIRS信号采集模块包括发射探头和接受探头。
作为具体实施例的改进，所述发射探头和接受探头为扁平状。
作为具体实施例的改进，所述发射探头和接受探头高度小于1cm，所述发射探头和接受探头间隔不大于6cm。
作为具体实施例的改进，所述TMS刺激系统的刺激深度为3至5cm。
作为具体实施例的改进，所述定位帽为以国际脑电10-20系统为基础设计的定位帽，每个孔洞之间间距为3cm。
作为具体实施例的改进，包括分析控制装置，所述分析控制装置连接所述TMS刺激系统和fNIRS信号采集系统。
作为具体实施例的改进，所述分析控制装置包括可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路，所述可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路依次连接。
本发明的又一目的是提供一种经颅磁刺激方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.使用如上所述的经颅磁刺激装置，
S2.当刺激状态下与初始静息状态下能量百分比在90％～110％之间时，刺激强度和刺激频率保持不变；当能量百分比低于90％时，增加刺激强度和刺激频率；当能量百分比超过110％时，减少刺激强度和刺激频率。
作为具体实施例的改进，刺激强度的最小值为60％静息运动阈值，最大值为120％静息运动阈值，刺激频率的最小值为1Hz，最大值为20Hz。
本发明提供的具体的近红外信号控制的经颅磁刺激系统的工作方法，主要包括可用于经颅磁刺激的近红外信号采集帽、近红外信号采集系统、分析控制装置、显示与控制模块、经颅磁刺激系统。主要工作流程如下，采集在经颅磁刺激下局部大脑区域的近红外信号变化，通过分析控制装置实时分析当前近红外信号能量与初始近红外信号能量的变化关系，据此给出一组刺激参数，实施者可根据这组刺激参数，选择自动模式，分析控制装置自动发送刺激参数给经颅磁刺激系统，或者选择手动模式，实施者根据给出的刺激参数，选择是否改变原有的刺激模式。经颅磁刺激系统再由给定的参数，调整刺激强度和刺激频率，驱动刺激线圈，对大脑皮层进行磁刺激。
其中可用于经颅磁刺激和近红外信号采集帽具有如下特点，近红外检测探头应尽量扁平，以便于系统能在经颅磁刺激的同时，检测近红外信号，保证经颅磁刺激的信号能够到达刺激区域，其中，经颅磁刺激刺激深度约为3至5cm,近红外检测大脑检测深度约为3cm。所述近红外脑功能成像仪的发射探头和接受探头可以插入定位帽上的孔洞之中，定位帽上用于放置近红外检测探头的位置分布是基于国际脑电10-20定位系统，其每个孔洞之间间距约为3cm。
近红外信号采集系统通过发射端发射出波长为850nm和760nm的近红外光，分别可以检测氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，可用具有相同频率特性的光电接收二极管或光电池作为探头，检测不同频率近红外线的散射，然后对信号放大、滤波、可实时显示每个位于大脑表面不同部位检测通道上光强的变化，从而反映不同大脑部位氧合血红蛋白和去氧血红蛋白含量的变化。然后把采集到的近红外信号传递给分析控制装置。
近红外信号再经过分析控制装置，优选的，所述分析控制装置，包括可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路。近红外信号作为功能成像方法的应用，依赖于神经-血管耦合的原理，我们先测量静息状态下，时长为15s的近红外信号，作为初始信号，再测量刺激出现15s之后的时长为15s的近红外信号，这样，以30s为一个时间段，测量后半段15s时长的近红外信号，分析此信号与初始信号的关系，来确定新的刺激参数。通过每一段15s的近红外信号分析，来达到近似的实时控制。
在显示与控制模块中，可以通过小型液晶屏上显示出实时的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的变化，以及计算之后的刺激参数，并且可以设置为系统自动根据计算好的刺激参数来调节经颅磁刺激，或者设置为手动模式，系统不会自动调节经颅磁刺激装置，而需要实验者根据刺激参数手动调节经颅磁刺激装置，这样使得装置更加人性化。
经颅磁刺激系统根据生成的刺激信号，经过D/A转换，再通过功率放大，驱动固定在大脑对应区域上方的刺激线圈，对大脑对应区域进行磁刺激。
本发明的优点：本发明在临床操作上简单省时，只需先佩戴好近红外定位帽，在相应位置插入近红外发射端和接收端，再将经颅磁刺激线圈与头皮紧密接触就可让两种设备互补影响，同时工作。
本发明简单易行，操作方便，便于在经颅磁刺激中根据实时近红外信号调整经颅磁刺激参数，满足个性化治疗的需求，提高了经颅磁刺激的刺激疗效，扩大了近红外信号检测的应用范围，为神经科学的科研、检测、治疗提供了一种新的方法和实用工具。
本发明的技术效果：本发明提供了一种近红外信号控制的经颅磁刺激方法与系统，利用被试者本身的近红外信号来设定个性化的经颅磁刺激参数，避免了过量刺激或者刺激不足。
如图1所示，为可同时进行经颅磁刺激和近红外信号检测的可穿戴帽子示意图，其中，1为经颅磁刺激线圈，其刺激深度可达3至5cm。2表示近红外采集探头的高度，为了能在经颅磁刺激的同时能采集到近红外信号，近红外探头的高度应保证扁平，其高度应小于1cm。3为近红外信号采集探头及信号传输导线。4为大脑表面，或理解为定位帽。5为以国际脑电10-20系统为基础设计的定位帽。
如图2所示，为本发明实施例的用于在TMS(经颅磁刺激)期间监控患者fNIRS(近红外信号)的系统高级示意图。包括分析控制装置、显示与控制模块、TMS刺激系统、刺激线圈与fNIRS信号采集帽和fNIRS信号采集系统。该系统的工作方法为：fNIRS信号采集模块获取连续的时间长度为30s的近红外信号，利用分析控制装置，分析出后15s时间段的信号能量与初始静息状态下的信号能量百分比，由此给出一组刺激参数，通过TMS刺激系统驱动刺激线圈，对大脑的皮层进行磁刺激。通过显示与控制模块可以看到当前的刺激参数，如手动/自动模式选择、静息运动阈值、当前刺激强度、刺激频率、刺激时间等，同时可通过LCD触摸屏按键模块更改参数，从而达到通过fNIRS信号实时控制TMS刺激的目的。
其中分析控制装置：包括可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路。可视触摸液晶显示屏可显示当前刺激参数，如手动/自动模式选择、静息运动阈值、当前刺激强度、刺激频率、刺激时间，并且可以通过液晶显示屏的触摸操作对各指标进行选择和大小调节。
fNIRS信号采集系统：包括fNIRS信号采集模块、存储模块、与分析控制装置通信的通信模块。
TMS刺激系统：包括与分析控制装置通信的通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统。
在本发明中，刺激强度和刺激频率可调，其中刺激强度的最小值为60％静息运动阈值，最大值为120％静息运动阈值，刺激频率的最小值为1Hz，最大值为20Hz。
如图3所示，所述分析控制装置的工作方法，包括：
步骤1，让被试者在戴好实验装置，启动TMS和fNIRS装置，在被试者安静缓和之后，测得刺激之前的近红外信号，测量时间为15s，得到氧合血红蛋白和去氧血红蛋白信号，对其幅值求平方再求和，作为fNIRS信号的初始能量，之后的信号都将与此信号作对比。再开始TMS刺激，等待15s之后，再测量15s时间段的近红外信号，如此反复下去，直到刺激结束。假设fNIRS测量这段时间的刺激强度为x，计算之后每15s时间段的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的能量与初始能量的百分比PerOxy和PerDeoxy，取Per＝max(PerOxy,PerDeoxy)，即Per取PerOxy和PerDeoxy二者最大值；
步骤2，根据Per值大小确定之后的刺激模式，改变刺激强度，得到下一个时间段的刺激强度参考值为
其中，Smax表示该调节参数设定的最大值，Smin表示该调节参数设定的最小值。对于上述公式的解释，我们允许信号强度在一定范围内(90％～110％)之间变化，在这段范围内，刺激强度与之前保持不变；当能量百分比低于90％时，认为刺激不足，故增加刺激强度；当能量百分比超过110％时，认为刺激过量，故减少刺激强度。同样的，对于刺激频率也做一样的处理。
如图4所示，为本发明fNIRS信号采集系统发射端和接收端放置位置示意图。以中文阅读任务为例，可将发射端T1和接收端R1分别置于F1和F3处，即BA9区，根据发射端和接收端的位置，可将TMS刺激线圈放置于F1和F3中间位置。实际使用时可根据实验具体需求调整发射端和接收端的放置位置，但发射端和接收端的间隔距离不可太近或太远，接收端和发射端间隔3至6cm为宜。
图中，描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：包括定位帽,及设置在定位帽上的fNIRS信号采集系统、TMS刺激系统，还包括分析控制装置，所述分析控制装置分别连接所述TMS刺激系统和fNIRS信号采集系统。
2.根据权利要求1所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述fNIRS信号采集系统包括fNIRS信号采集模块、存储模块、通信模块，所述fNIRS信号采集模块、存储模块、通信模块分别互相连接。
3.根据权利要求1所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述TMS刺激系统包括通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统，所述通信模块、功率放大电路、存储模块、由单片机控制的可调频调幅的磁刺激系统依次连接。
4.根据权利要求2所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述fNIRS信号采集模块包括发射探头和接受探头。
5.根据权利要求4所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述发射探头和接受探头为扁平状，所述发射探头和接受探头高度小于1cm,所述发射探头和接受探头间隔不大于6cm。
6.根据权利要求1所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述TMS刺激系统的刺激深度为3至5cm。
7.根据权利要求1所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述定位帽为以国际脑电10-20系统为基础设计的定位帽，每个孔洞之间间距为3cm。
8.根据权利要求1所述的近红外信号控制的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述分析控制装置包括可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路，所述可视触摸液晶显示屏、单片机、存储模块、电源电路依次连接。
9.一种经颅磁刺激方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.使用权利要求1-8所述的经颅磁刺激装置，
S2.当刺激状态下与初始静息状态下能量百分比在90％～110％之间时，刺激强度和刺激频率保持不变；当能量百分比低于90％时，增加刺激强度和刺激频率；当能量百分比超过110％时，减少刺激强度和刺激频率。
10.根据权利要求9所述的一种经颅磁刺激方法，其特征在于，刺激强度的最小值为60％静息运动阈值，最大值为120％静息运动阈值，刺激频率的最小值为1Hz，最大值为20Hz。
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