CN108187226B

CN108187226B - 刺激系统

Info

Publication number: CN108187226B
Application number: CN201711339501.2A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 罗朝霞; 蔚鹏飞; 黄康; 都展宏; 汪贤亮; 李结明; 罗余
Original assignee: Shenzhen Huagao Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Huagao Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN108187226A

Abstract

本发明实施例公开了一种刺激系统，包括：前额电极、脑电波信号采集模块，芯片处理系统、刺激模块和刺激电极；前额电极与脑电波信号采集模块连接，脑电波信号采集模块与芯片处理系统连接，芯片处理系统与刺激模块连接，刺激模块与刺激电极连接。本发明实施例有利于实现脑电波信号的实时采集和传输，以及通过脑电波信号的分析，给大脑实施精准有效的电刺激，实现对大脑皮层的调控。

Description

刺激系统

技术领域

本发明涉及刺激设备领域，具体涉及一种刺激系统。

背景技术

经颅电刺激(Transcranial Eletrical Stimulation，tEs)是一种非侵入性神经刺激技术，通过电极将特定的、低强度电流作用于特定脑区，达到调节大脑皮层神经活动的目的。这项技术包括多种刺激方式，根据不同的电流形式可以分为：经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)、经颅交流电刺激(TranscranialAlternating Current Stimulation，tACS)、经颅随机噪声刺激 (Transcranial RandomNoise Stimulation，tRNS)。经颅电刺激这项技术不仅用于帮助中风等脑损病人，还能够提高多种任务下的认知能力，如增强语言和数学能力、注意力、记忆力协调能力和解决问题能力。

研究发现，经颅电刺激可以引起脑电波(Electroencephalogram，EEG)节律变化，使用经颅电刺激诱发或抑制特定的EEG节律。现有技术中，由于设备的限制，人们只能在经颅电刺激之后采集脑电图(EEG)，即：操作者设定刺激参数，进行EEG采集，进行离线数据分析，得出结论，这种模式最大的弊端是人们对刺激期间EEG的变化了解很小。

发明内容

本发明实施例提供一种刺激系统，包括：

前额电极、脑电波信号采集模块，芯片处理系统、刺激模块和刺激电极；

所述前额电极与所述脑电波信号采集模块连接，所述脑电波信号采集模块与所述芯片处理系统连接，所述芯片处理系统与所述刺激模块连接，所述刺激模块与所述刺激电极连接；

所述前额电极用于采集脑电波信号，所述脑电波信号采集模块用于对所述采集的脑电波信号进行处理，所述芯片处理系统用于将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备；

所述芯片处理系统还用于接收所述通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块，所述刺激模块响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极输出所述刺激信号。

在一个实施例中，所述经过处理的脑电波信号包括：脑波频率普，脑电波信号质量，原始脑电波，专注度参数，放松度参数以及眨眼侦测参数。

在一个实施例中，所述前额电极包括：作用电极，地电极和参考电极。

在一个实施例中，所述刺激指令携带以下参数中的至少一种：电强度、脉冲频率和刺激周期。

在一个实施例中，所述刺激系统还包括：隔离模块；

所述隔离模块的第一端与所述芯片处理系统连接，所述隔离模块的第二端与所述刺激模块连接。

在一个实施例中，所述隔离模块包括：电源隔离模块、四通道数字隔离芯片和线性隔离芯片。

在一个实施例中，还包括：导联脱落检测模块，所述导联脱落检测模块与所述刺激模块连接。

在一个实施例中，所述芯片处理系统还包括报警模块，所述报警模块连接所述导联脱落检测模块，所述报警模块用于在所述导联脱落检测模块检测到所述刺激电极脱落时进行报警。

在一个实施例中，所述芯片处理系统包括无线通信模块，所述芯片处理系统在用于将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备时，具体用于：

将经过处理的脑电波信号通过所述无线通信模块发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备。

在一个实施例中，所述前额电极和所述刺激电极是氯化银干电极。

可以看出，本发明实施例提供的刺激系统，一方面，前额电极采集脑电波信号，脑电波信号采集模块对所述采集的脑电波信号进行处理，所述芯片处理系统将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备，以实现脑电波信号的实时采集和传输。另一方面，所述芯片处理系统还可以接收通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块，所述刺激模块响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极输出所述刺激信号，进而实现了通过通信设备分析脑电波信号，监控大脑神经网络活动的反馈，向芯片处理系统发送刺激指令以给大脑实施精准有效的电刺激，实现对大脑皮层的调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种刺激系统的结构示意图；

图1-1是本发明实施例公开的一种电源隔离模块的电路结构示意图；

图1-2是本发明实施例公开的一种四通道数字隔离芯片的电路结构示意图；

图2是本发明实施例公开的另一种刺激系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

传统的刺激系统只是通过给予大脑一定强度的电刺激，仅有单一刺激功能，无法监控大脑皮层经受刺激后的反馈，从而对大脑实施精准有效的电刺激。本发明的目的在于提供一种带脑电波采集的刺激系统，一方面实现脑电波信号的实时采集，同时还可以实现针对采集的脑电波信号进行分析提供刺激信号。

为了更好理解本发明实施例公开的一种刺激系统，下面对本发明实施例进行详细介绍。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种刺激系统的结构示意图，如图 1所示，本发明实施例中的刺激系统包括：

前额电极101、脑电波信号采集模块102，芯片处理系统103、刺激模块104 和刺激电极105。

所述前额电极101与所述脑电波信号采集模块102连接，所述脑电波信号采集模块102与所述芯片处理系统103连接，所述芯片处理系统103与所述刺激模块104连接，所述刺激模块104与所述刺激电极105连接。

所述前额电极101用于采集脑电波信号，所述脑电波信号采集模块102用于对所述采集的脑电波信号进行处理，所述芯片处理系统103用于将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统103进行通信连接的通信设备。

所述芯片处理系统103还用于接收所述通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块104，所述刺激模块104响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极105输出所述刺激信号。

具体地，所述脑电波信号采集模块102在用于对所述采集的脑电波信号进行处理时，具体用于：对采集的脑电波信号执行滤波、放大、A/D转换等处理，本发明实施例不作限制。

具体地，脑电波信号采集模块102通过通用异步收发传输(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口将处理后的脑电波信号以固定的格式传送到芯片处理系统103中，芯片处理系统103将处理后的脑电波信号发送至通信设备，以便通信设备的用户针对脑电波信号进行分析监控，进而选择精准有效的电刺激，对大脑实施电刺激，实现对大脑皮层的调控。上述芯片处理系统103可以包括单片机或ARM芯片等，本发明实施例不作限制。

本发明实施例所涉及到的通信设备可以包括各种具有通信功能的手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其他处理设备，以及各种形式的用户设备(user equipment，UE)，移动台(mobile station， MS)，终端设备(terminaldevice)等等。为方便描述，上面提到的设备统称为通信设备。

可以看出，在本发明实施例提供的刺激系统中，前额电极采集脑电波信号，脑电波信号采集模块对所述采集的脑电波信号进行处理，所述芯片处理系统将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备，以实现脑电波信号的实时采集和传输。同时，所述芯片处理系统还可以接收通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块，所述刺激模块响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极输出所述刺激信号，进而实现了通过通信设备分析脑电波信号，监控大脑神经网络活动的反馈，向芯片处理系统发送刺激指令以给大脑实施精准有效的电刺激，实现对大脑皮层的调控。

在一个实施例中，所述前额电极101包括：作用电极，地电极和参考电极。

具体地，安置在头皮上的电极为作用电极(active electrode)，记录到的脑电波信号即是作用电极与参考电极的差值。

放置在身体相对零电位点的电极即为参考电极(reference electrode)，也称为参考电极或标准电极。

如果身体上有一个零电位点，那么将参考电极放置于这个点，头皮上其它部位与该点的电极之间的电位差就等于后者的电位变化的绝对值。但这种零电位点理论上指的是机体位于电解质液中时，距离机体无限远的点，而实际上我们能够利用到的点是距离脑尽可能远的身体上的某一个点。因此，如果选躯干或四肢，脑电中就会混进波幅比脑电大的多的心电，这也是脑电记录使用耳垂、鼻尖或乳突部作为参考电极的原因。但鼻尖参考电极由于易出汗而产生基线不稳的伪迹，乳突部、下颌部等参考电极也可引起心电图、血管波动等伪迹。

接地电极通常放置于头前部中点，也可放在头部和身体的任何部位。该电极有助于通过共模抑制过滤掉周围环境噪音的干扰。

具体地，本发明实施例提供的刺激系统，通过接收通信设备的指令可以提供电强度可调、脉冲频率可调、刺激周期可调的低强度电。

在一个实施例中，本发明实施例中的袭击系统可以产生三种不同电流形式，即直流、交流和随机噪声。

在一个实施例中，所述刺激系统还包括：隔离模块。

所述隔离模块的第一端与所述芯片处理系统103连接，所述隔离模块的第二端与所述刺激模块104连接。

具体地，由于刺激模块104产生的是电信号，该信号比脑电波的电信号高出几个数量级，由于脑电波信号非常微弱，容易受到电刺激信号或者其他信号的干扰，利用隔离模块对脑电波信号和刺激信号有良好的隔离作用的特点，将前级脑电波信号采集、处理电路和后级的刺激电路隔离，从电路上把电刺激信号和脑电波信号的隔离开来，从而提高刺激系统的抗干扰性能力。

具体地，电源隔离模块可以采用B0505S-1WR3，B0505S-1WR3专门针对 PCB上分布式电源系统中需要与输入电源隔离且输出精度要求较高的电源应用场合，电源隔离模块将5V电源转化成5V_ISO，为刺激模块104提供电源。具体地，B0505S-1W是一种1W单输出DC-DC电源模块，该产品适用于：输入电源的电压变化≤±5％；输入输出之前要求隔离电压≤3000VDC的应用场合，对输出电压稳定度和输出纹波噪声要求高。为了进一步降低电源纹波，若要求进一步减小输入输出纹波，可进一步地在输入输出端连接一个LC滤波网络，电路如下图所示，这里电容C2、C3、C5以及C13选择了合适的值。若电容太大，很可能会造成启动问题。

具体地，数字隔离芯片可以采用亚德诺半导体技术有限公司ADI的 ADuM7442，数字隔离芯片可以将前级的脑电波信号采集模块102和后级的刺激模块104之间的逻辑控制信号进行数字隔离。本发明实施例中的数字隔离器，与传统光电隔离方式不同，它没有光耦的光和电转换过程，并且体积远远小于传统的光耦。功耗方面也降低了90％左右，并且无需外部驱动器或分立器件即可实现整个隔离的过程；另外，在体积与集成度方面更有着光电隔离无法比拟的优势。具体电路图参考图1-2所示。

具体地，线性隔离芯片采用了威世半导体VISHAY公司的IL300线性光耦， IL300由一个高性能发光二极管LED和两个相邻匹配的光敏二极管PD1和PD2 组成。光敏二极管PD1起反馈作用，能消除LED的非线性和偏差带来的误差，改善输入和输出电路间的线性和温度特性，稳定电路性能。光敏二极管PD2是线性光耦的输出端，接收由LED发出的光线而产生与光强成正比的输出电流，达到输入及输出电路间电流隔离的作用，PD1与PD2的严格比例关系及PD1负反馈的作用保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。线性隔离芯片将芯片处理系统103产生的用于驱动刺激模块1047的模拟信号DAC转化为高稳定性和高线性度的DAC_ISO。

在一个实施例中，还包括：导联脱落检测模块，所述导联脱落检测模块与所述刺激模块104连接。

具体地，芯片处理系统103接收通信设备发送的刺激指令后，按照预设的算法输出用于驱动刺激模块104的DAC信号和，DAC信号经隔离模块出来转换为DAC_ISO信号，DAC_ISO信号可以控制刺激电流强度、频率和周期，同时，隔离模块输出的ES_DIR_ISO信号可以通过两个开关实现刺激电流方向的改变。DAC_ISO信号进入刺激模块104后，经幅度调整后输出刺激电极的接电极片，刺激电极的另一电极片和地连接。刺激电极为安放在头皮的两个极片组成，一个阴极，一个阳极，形成一个刺激回路，在回路中施加一定强度的微弱电，电的强度、脉冲频率、刺激周期可以由芯片处理系统103控制。导联脱落检测模块检测两个刺激电极的电压，电极正常佩戴时，脱落提示信号LOD_ISO 信号高电平输出。当某一电极脱落时，LOD_ISO低电平输出。

在一个实施例中，所述芯片处理系统103还包括报警模块，所述报警模块连接所述导联脱落检测模块，所述报警模块用于在所述导联脱落检测模块检测到所述刺激电极脱落时进行报警。

所述导联脱落检测模块可以连接至所述芯片处理系统103的报警模块，所述报警模块用于在所述LOD_ISO低电平输出时进行报警。

在一个实施例中，所述芯片处理系统103包括无线通信模块，所述芯片处理系统103在用于将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统103进行通信连接的通信设备时，具体用于：

将经过处理的脑电波信号通过所述无线通信模块发送至所述芯片处理系统 103进行通信连接的通信设备。

在一个实施例中，所述前额电极101和所述刺激电极是氯化银干电极。

请参阅图2，图2是本发明实施例提供的另一种刺激系统的结构示意图，如图2所示，本发明实施例中的刺激系统可以包括图1对应的实施例中的前额电极101、脑电波信号采集模块102，芯片处理系统103、刺激模块104和刺激电极105。

其中，所述刺激系统可以进一步还包括：隔离模块106和、导联脱落检测模块107。

所述芯片处理系统103具体可以包括无线通信模块1031以及报警模块 1032，所述报警模块1032用于在所述导联脱落检测模块107检测到所述刺激电极105脱落时进行报警。

所述隔离模块106的第一端与所述芯片处理系统连接，所述隔离模块106 的第二端与所述刺激模块104连接。

所述导联脱落检测模块107与所述刺激模块104和所述芯片处理系统103 的报警模块1032连接。

可以看出，在本发明实施例提供的刺激系统中，前额电极采集脑电波信号，脑电波信号采集模块对所述采集的脑电波信号进行处理，所述芯片处理系统将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备，以实现脑电波信号的实时采集和传输。同时，所述芯片处理系统还可以接收通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块，所述刺激模块响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极输出所述刺激信号，进而实现了通过通信设备分析脑电波信号，监控大脑神经网络活动的反馈，向芯片处理系统发送刺激指令以给大脑实施精准有效的电刺激，实现对大脑皮层的调控。同时，隔离模块对脑电波信号的采集和刺激信号的输出具有良好的隔离作用，从电路上把干扰源刺激信号和易受干扰的脑电波信号隔离开来，增加了脑电波信号采集的准确性。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取器(random accessmemory，RAM)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种刺激系统，其特征在于，包括：前额电极、脑电波信号采集模块，芯片处理系统、刺激模块和刺激电极；

所述芯片处理系统还用于接收所述通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块，所述刺激模块响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极输出所述刺激信号；

其中，所述经过处理的脑电波信号包括：脑波频率普，脑电波信号质量，原始脑电波，专注度参数，放松度参数以及眨眼侦测参数；所述脑电波采集模块通过异步收发传输UART接口将所述处理后的脑电波信号以固定格式发送至所述芯片处理系统；所述前额电极包括：作用电极，地电极和参考电极，所述采集到的脑电波信号为所述作用电极和所述参考电极的差值，所述地电极用于通过共模抑制过滤环境噪音；

所述刺激指令携带以下参数中的至少一种：电强度、脉冲频率和刺激周期；所述刺激系统还包括：隔离模块；所述隔离模块的第一端与所述芯片处理系统连接，所述隔离模块的第二端与所述刺激模块连接；所述隔离模块具体包括：电源隔离模块、四通道数字隔离芯片和线性隔离芯片；所述电源隔离模块为所述刺激模块提供电源，所述电源隔离模块的输入端和输出端分别连接LC滤波网络；所述四通道数字隔离芯片用于将所述脑电波信号采集模块和所述刺激模块之间的逻辑控制信号进行数字隔离；所述线性隔离芯片用于将所述芯片处理系统产生的用于驱动刺激模块的模拟信号DAC转化为DAC_ISO信号；所述刺激系统可以产生以下三种电流形式：直流、交流和随机噪声；所述芯片处理系统在用于接收所述通信设备发送的刺激指令，并将所述刺激指令发送至所述刺激模块时，具体用于：接收所述通信设备发送的刺激指令，按照预设算法输出用于驱动刺激模块的模拟信号DAC，所述模拟信号DAC经所述线性隔离芯片处理后转换为DAC_ISO信号，所述DAC_ISO信号用于控制刺激电流强度、脉冲频率和刺激周期；所述刺激电极包括接电极片和接地极片，所述刺激模块响应所述刺激指令产生刺激信号，所述刺激电极输出所述刺激信号，具体包括：所述刺激模块对所述DAC_ISO信号进行幅度调整，将经幅度调整后的所述DAC_ISO信号输出至所述刺激电极的接电极片，所述接地极片与地连接；所述四通道数字隔离芯片输出的信号用于通过两个开关实现刺激电流方向改变；

所述刺激系统还包括：导联脱落检测模块，所述导联脱落检测模块与所述刺激模块连接；所述导联脱落检测模块具体用于检测所述接电极片和所述接地极片的电压，以检测所述刺激电极是否脱落；所述芯片处理系统还包括报警模块，所述报警模块连接所述导联脱落检测模块，所述报警模块用于在所述导联脱落检测模块检测到所述刺激电极脱落时进行报警；所述芯片处理系统具体包括无线通信模块，所述芯片处理系统在用于将经过处理的脑电波信号发送至所述芯片处理系统进行通信连接的通信设备时，具体用于：将经过处理的脑电波信号通过所述无线通信模块发送至所述通信设备，所述脑电波信号用于所述通信设备的用户针对所述脑电波信号进行分析监控以及选择电刺激；所述报警模块还连接所述无线通信模块；所述前额电极和所述刺激电极是氯化银干电极。