CN108697891A - 利用微波信号的脑刺激装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用产生电磁场的施加器而诱导脑刺激的技术。这样的本发明的特征在于,包括演算出施加器的反射系数并根据该演算结果来控制阻抗变换电路的阻抗可变状态而形成施加器和功率放大器之间的阻抗匹配的控制部,从而调节提供于施加器的调制成矩形波形态的微波信号的调制频率,据此以所期望的程度诱导脑的兴奋和抑制。
Description
技术领域
本发明涉及利用产生电磁场的施加器而诱导脑刺激的技术,尤其是涉及对提供于施加器的调制成矩形波形态的微波信号的调制频率进行调节而能够诱导脑的兴奋和抑制的利用微波信号的脑刺激装置及方法。
背景技术
通常,脑刺激装置是指,通过对脑的刺激对象部位施加电流或电磁场而刺激脑神经来治疗脑的装置。适用于这种脑刺激装置的脑刺激方法有多种。作为代表性的例子,有如下的方法:作为侵入性(invasive)方法的脑深部刺激术(deep brain stimulation)、作为非侵入性方法的利用直流电流的经颅直流电刺激术(tDCS,transcranial direct currentstimulation)及利用磁场的经颅磁刺激术(TMS,transcranial magnetic stimulation)等。
脑深部刺激术作为侵入性手术方法,经手术将电极植入于脑部,并用100~200Hz的高频刺激脑深部核,则脑深部核的输出增加,据此同时复合性地诱发兴奋性和抑制性。据此,周围的神经纤维活化而调节基底核-丘脑皮层网络整体。然而,这种脑深部刺激术存在如下缺点:即,为了脑深部刺激而向脑部植入电极的手术困难,而且出现随之而来的各种各样的副作用。
非侵入性方法的脑刺激术为利用磁场或电流等而刺激脑的特定部位的神经的非手术性方法,目前临床上应用的有利用磁场的经颅磁刺激术和利用直流电的经颅直流电刺激术。
经颅磁刺激术为利用如下原理的方法:即,如果将由刺激线圈所产生的电流在组织内变成为适当强度的电场,则经过一定时间后像一般的电刺激那样会引起神经的去极化(depolarization)。这种方法与经颅直流电刺激术相比具有能够实现更加局部的刺激并对皮肤的刺激少的优点,但是具有设备成本高、移动困难、产生较多噪音的缺陷。
经颅直流电刺激术为利用如下原理的方法:即,如果用两个或其以上的电极对头皮以非侵入性的方式在一定时间期间施加1~2mA的微弱的直流电刺激而调节神经细胞的膜静电位(resting membrane potential),则由此神经细胞的自发性放电率(spontaneousdischarge rate)及N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid)受体的活化会变化。这种方法具有设备的移动方便、设备成本相对廉价的优点,但是刺激部位较广而局部性的施术较困难。
于是,基于现有技术的脑刺激装置存在如下缺点:即,引发手术的副作用的担忧,耗电较多的问题,而且局部性的施术困难等。
发明内容
(发明所要解决的问题)
本发明所要解决的问题在于,利用微波电磁场而以非侵入性方法实现脑刺激。
本发明所要解决的另一问题在于,利用结构简单的施加器而能够实现局部部位的刺激。
本发明所要解决的另一问题在于,通过阻抗变换电路来在功率放大器和施加器之间实现所期望的阻抗匹配,从而提高信号传递效率。
本发明所要解决的另一问题在于,利用微波信号的调制而获得所期望程度的兴奋性和抑制性。
(解决问题所采用的措施)
用于达成上述技术课题的本发明实施例的利用微波信号的脑刺激装置包括:信号发生器,生成微波信号;信号调制器,将所述微波信号调制成用于脑刺激的图样(pattern)的高频信号;功率放大器,将所述高频信号放大成微波脑刺激装置所需大小的信号;定向耦合器,将所述功率放大器所输出的所述高频信号传送至下一段,并分离由自己的输入端接收到的所述高频信号的入射波和由自己的输出端接收到的高频信号的反射波;施加器,将通过所述定向耦合器来提供的所述高频信号放射至施术对象患者的脑的刺激对象部位;阻抗变换电路,改变阻抗以便在所述功率放大器和所述施加器之间形成所期望的阻抗匹配;以及控制部,根据所述施加器的反射系数来控制所述阻抗变换电路的阻抗可变状态以形成所述施加器和所述功率放大器之间的阻抗匹配。
用于达成上述技术课题的本发明另一实施例的利用微波信号的脑刺激方法包括:利用脑刺激装置的施加器而将调制成输出微波信号的开区间和不输出微波信号的关区间反复的形态的高频信号放射至施术对象患者的脑的刺激对象部位的步骤;根据所述脑刺激装置的功率检测器的输出来确认所述高频信号的信号传递效率是否降低至预设的基准值以下的步骤;每当所述信号传递效率降低至预设的基准值以下时,变更所述脑刺激装置的阻抗变换电路的阻抗可变状态,并每当变更时测定出所述施加器的反射系数的步骤;根据所测定出的所述反射系数来控制所述阻抗变换电路的状态,以形成所期望的阻抗匹配,从而补偿所述信号传递效率的步骤;以及测定出所述刺激对象部位的单个单位神经细胞的电位,并根据欲得到的抑制/兴奋效果来调节所述高频信号的反复频率的步骤。
(发明的效果)
当使用本发明的微波脑刺激装置时,有如下效果:即,调节脉冲反复形态的高频信号的频率而能够获得所期望程度的脑神经的兴奋性和抑制性。
此外,还有如下效果:即,不经过复杂的信号处理的过程,仅测定出基于收发信号大小的直流电压而能够实时测定出反射系数。
此外,还有如下效果:即,根据所测定出的反射系数来控制阻抗变换电路的状态,据此能够防止用于脑刺激的信号传递效率因生物组成的成分比而降低的情况。
此外,当使用本发明的微波脑刺激装置时,有如下效果:即,能够由比较简单的电路构成,通过效率的补偿来使脑刺激所需的信号的电能最小化。据此有如下效果:即,便于产品的小型化,并能够降低成本,而且能够广泛适用于脑刺激的应用。
附图说明
图1为根据本发明实施例的微波脑刺激装置的模块图。
图2为根据本发明实施例的微波信号的调制例。
图3为利用根据本发明实施例的脑刺激装置而执行的老鼠的单个单位神经细胞的电位测定曲线图。
图4为示出根据本发明另一实施例的微波脑刺激方法的处理过程的流程图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1为利用本发明实施例的微波信号的脑刺激装置的模块图,如图所示,脑刺激装置100包括:信号发生器110、信号调制器120、功率放大器(power amplifier)130、定向耦合器(directional coupler)140、阻抗(impedance)变换电路150、施加器(applicator)160、以及控制部170。
信号发生器110生成作为脑刺激装置100所需频率的刺激信号的微波(microwave)信号MS。
信号调制器120将来自所述信号发生器110的微波信号MS调制成规定的图案(pattern)而输出。所述信号调制器120调制所述微波信号MS的方式有多种,图2示出微波信号MS的调制例。即,图2示出以输出微波信号MS的开(on)区间T1和不输出微波信号MS的关(off)区间T2反复的形态调制的信号(以下称之为“高频信号”)MOD_SIG的例子。在这种情况下,将所述的高频信号MOD_SIG的频率(反复频率)调节而能够多种多样地改变所述的高频信号MOD_SIG的调制形态。为了执行这样的信号调制功能,可以以利用了晶体管(transistor)的开关形态实现所述信号调制器120。
功率放大器130将所述信号调制器120所输出的高频信号MOD_SIG放大成脑刺激装置100所需大小的信号而输出。
定向耦合器140起到将所述功率放大器130所输出的高频信号MOD_SIG传送至下一段的阻抗变换电路150的作用。此外,所述定向耦合器140起到分离从所述功率放大器130的输出端接收至自己的输入端的高频信号MOD_SIG的入射波和从所述阻抗变换电路150的输入端接收至自己的输出端的高频信号MOD_SIG的反射波的作用。为此,定向耦合器140基本具备传送线路或电容器(capacitor)、电感器(Inductor)等元件,能够具备利用磁性物质的循环器(circulator)。
阻抗变换电路150受到控制器170的控制而在功率放大器130和施加器160之间形成所期望的阻抗匹配(impedance matching)。为此,所述阻抗变换电路150具备晶体管、二极管(diode)及开关等元件而起到改变与脑的治疗对象部位接触的施加器160的阻抗的作用。这种阻抗变换电路150能够以多种多样的形态实现,例如能够以具备阻抗调配器(impedance tuner)或移相器(phase shifter)以及两个端口(port)而将输出阻抗改变成各种值的形态实现。
施加器160起到将由所述阻抗变换电路150所提供的高频信号MOD_SIG放射至施术对象患者的脑的刺激对象部位的作用。据此,所放射的所述高频信号MOD_SIG的能量对所述刺激对象部位的脑组织产生电刺激。所述施加器160的结构并无特别限定,包括易于与刺激对象部位接触的结构,并可均包括适合于将高频信号MOD_SIG更加有效地传递至治疗部位的任何结构。此时,施术者能够将从施加器160放射至所述刺激对象部位的高频信号MOD_SIG的频率适当调节而将施加于刺激对象部位的脑组织的电刺激的程度调节成所要的程度。作为易于与所述刺激对象部位接触的结构的例子,可举出具备平面形态的开口面的结构。
控制部170演算出所述施加器160的反射系数,并根据该演算结果来控制所述阻抗变换电路150的阻抗可变状态而实现所述施加器160和所述功率放大器130之间的阻抗匹配。
为此,所述控制部170具备:输入端功率检测器171A、输出端功率检测器171B、模拟数字转换器(analog digital converter)172、演算装置173、以及控制装置174。
输入端功率检测器171A起到接收所述定向耦合器140所分离的高频信号MOD_SIG的输入波而输出与其电能相应的直流电压的作用。
输出端功率检测器171B起到接收所述定向耦合器140所分离的高频信号MOD_SIG的反射波而输出与其电能相应的直流电压的作用。
模拟数字转换器172将所述输入端功率检测器171A及输出端功率检测器171B分别提供的模拟直流电压信号分别转换成数字的直流电压信号而输出。
演算装置173存储所述模拟数字转换器172所转换的数字信号,并从所存储的所述数字信号演算出所述施加器160的反射系数。为此,所述演算装置173可包括数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)或者个人电脑(PC,Personal Computer)或者电子计算装置。
控制装置174根据所述演算装置173所演算出的施加器160的反射系数来控制所述阻抗变换电路150的阻抗可变状态,以使所述施加器160和所述功率放大器130之间形成阻抗匹配。为此,所述控制装置174给所述阻抗变换电路150提供数字或模拟的控制信号。
图3为利用本发明优选实施例的微波脑刺激装置而进行的测定出老鼠的单个单位神经细胞的电位的结果。能够确认出利用本发明的脑刺激装置100正确地实现了脑刺激的情况。
另一方面,参照图4,对根据本发明的实施例进行脑刺激时利用阻抗变换电路而稳定维持信号传递效率的处理过程说明如下。
如果打开脑刺激装置的开关,则在脑刺激装置内生成微波信号,所述微波信号被调制成输出微波信号的开区间和不输出微波信号的关区间反复的形态,这样调制的信号(以下称之为“高频信号”)放射至施术对象患者(或者实验对象老鼠)的脑的刺激对象部位(S1~S3)。
此时,如果将所述高频信号放射至施术对象患者的脑的刺激对象部位,则根据患者的生物组织的阻抗,所表现出的经由所述施加器的信号传递效率不同。
鉴于此,持续监测功率检测器的输出,并根据所述监测结果来确认信号传递效率是否降低至预设的基准值以下(S4~S5)。
上述确认结果,如果判断为信号传递效率降低至预设的基准值以下,则任意变更阻抗变换电路的阻抗可变状态,每变更时测定(计算)出施加器的反射系数(S6)。
接着,根据所计算出的施加器的反射系数来控制(变更)阻抗变换电路的状态,以实现所期望的阻抗匹配,据此所述信号传递效率得到补偿(S7)。
之后,测定出基于脑刺激结果的施术对象患者的脑的刺激对象部位的单个单位神经细胞的电位,并根据欲得到的抑制/兴奋效果来调节所述高频信号的频率(S8,S9)。
之后,确认是否经过了整个脑刺激时间,若未经过,则返回至第三步骤并反复执行上述过程,若经过了,则中断上述高频信号的输出(S10)。
本发明针对优选实施例进行了说明,但本发明的权利范围并不限定于此,以权利要求书中所定义的本发明的基本构思为基础,能够实现为更加多样性的实施例,而且这些实施例也应包含于本发明的权利范围内。
Claims (7)
1.一种利用微波信号的脑刺激装置,其特征在于,包括:
信号发生器,生成微波信号;
信号调制器,将所述微波信号调制成用于脑刺激的图样的高频信号;
功率放大器,将所述高频信号放大成微波脑刺激装置所需大小的信号;
定向耦合器,将所述功率放大器所输出的所述高频信号传送至下一段,并分离由自己的输入端接收的所述高频信号的入射波和由自己的输出端接收的高频信号的反射波;
施加器,将通过所述定向耦合器来提供的所述高频信号放射至施术对象患者的脑的刺激对象部位;
阻抗变换电路,改变阻抗以便在所述功率放大器和所述施加器之间形成所期望的阻抗匹配;以及
控制部,根据所述施加器的反射系数来控制所述阻抗变换电路的阻抗可变状态以形成所述施加器和所述功率放大器之间的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的利用微波信号的脑刺激装置,其特征在于,
由所述信号调制器来调制成输出所述微波信号的开区间和不输出所述微波信号的关区间反复的图样而形成所述高频信号。
3.根据权利要求1所述的利用微波信号的脑刺激装置,其特征在于,
所述阻抗变换电路具有具备阻抗调配器或移相器以及两个端口从而将输出的阻抗改变成各种值的结构。
4.根据权利要求1所述的利用微波信号的脑刺激装置,其特征在于,
为了易于与所述刺激对象部位接触,所述施加器具备平面形态的开口面。
5.根据权利要求1所述的利用微波信号的脑刺激装置,其特征在于,
所述控制部包括:
输入端功率检测器,根据所述定向耦合器所分离的所述高频信号的入射波而输出与所述定向耦合器的电能相应的直流电压;
输出端功率检测器,根据所述定向耦合器所分离的所述高频信号的反射波而输出与所述定向耦合器的电能相应的直流电压;
模拟数字转换器,将所述输入端功率检测器及输出端功率检测器所提供的模拟的直流电压信号分别转换成数字的直流电压信号;
演算装置,存储所述模拟数字转换器所转换的数字信号,并根据所存储的所述数字信号来演算出所述施加器的反射系数;以及
控制装置,根据所述反射系数来控制所述阻抗变换电路的阻抗可变状态,以使所述施加器和所述功率放大器之间形成阻抗匹配。
6.一种利用微波信号的脑刺激方法,其特征在于,
包括:
步骤(a),其中,利用脑刺激装置的施加器而将调制成输出微波信号的开区间和不输出微波信号的关区间反复的形态的高频信号放射至施术对象患者的脑的刺激对象部位;
步骤(b),其中,根据所述脑刺激装置的功率检测器的输出来确认所述高频信号的信号传递效率是否降低至预设的基准值以下;
步骤(c),其中,每当所述信号传递效率降低至所述基准值以下时,变更所述脑刺激装置的阻抗变换电路的阻抗可变状态,并每当变更时测定出所述施加器的反射系数;
步骤(d),其中,根据所测定出的所述反射系数来控制所述阻抗变换电路的状态,以形成所期望的阻抗匹配,从而补偿所述信号传递效率;以及
步骤(e),其中,测定出所述刺激对象部位的单个单位神经细胞的电位,并根据要得到的抑制/兴奋效果来调节所述高频信号的反复频率。
7.根据权利要求6所述的利用微波信号的脑刺激方法,其特征在于,
所述步骤(e)进一步包括如下步骤:
根据预设的脑刺激时间是否完全流逝,而返回至所述步骤(a)或者中断所述高频信号的输出。
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