CN1089513A

CN1089513A - 脑电信息反馈脑部疾病治疗仪

Info

Publication number: CN1089513A
Application number: CN 93115236
Authority: CN
Inventors: 周卫东
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong Appollo Electronic Co Ltd
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2013-11-24
Also published as: CN1029294C

Abstract

脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，属于微机控制电子医疗仪器技术领域。本发明包括脑电信号采集放大、信号分析及反馈、反馈执行和治疗结果输出等部分，主要有脑电信号放大滤波器、A/D转换板、带协调器的微机主机及其外设键盘、软硬双驱、显示器、扬声器、D/A转换板和电磁场刺激器等硬件，以及初始化模块、脑电数据采集与分析模块、脑电实时反馈控制模块、CRT显示模块等软件程序。本发明经临床应用研究证明对脑部疾病有显著疗效，治疗显效快，安全、无痛、无副作用，可广泛应用于医疗保健部门。

Description

本发明涉及一种用微机控制的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，属微机控制电子医疗仪器技术领域。

目前国内外广泛开展了生物反馈（Biofeedback）和磁场生物效应（Biological effect of magnetic field）的研究。在生物反馈方面，脑电（EEG）与肌电（EMG）生物反馈进展比较快。国外报导了脑电、肌电生物反馈对儿童多动症具有疗效，研究表明，通过脑电生物反馈可有效地提升脑电中α节律（alpha rhythm），并对伴有α节律降低或消失症的患者有一定治疗作用。生物反馈疗法是通过病人的主观意识调节自身病理过程，达到治疗目的，因此这种治疗方法周期较长，显效慢。电磁疗法及其设备得到了越来越广泛的应用，但目前已有的电磁疗装置由于其产生的信号强度及频率范围并不适合治疗神经系统脑部疾病。如中国专利CN2060075U是以人体肌电为依据来模拟生物信息进行反馈治疗的仪器，该治疗仪仅由硬件组成，是非智能化的，不能根据病人特点自动调整治疗方案，产生最佳的治疗信号。另外该仪以肌电为基础设计，因此影响了用于治疗与脑电关系密切的脑部疾病的疗效。中国专利CN87106336A涉及了一种应用与心搏同步的低频脉冲磁场进行治疗的电磁医疗设备，输出信号频率为0.5-2Hz。这种频率的信号对大脑神经系统是不利的。美国申请的中国专利CN85104357A带有脉冲显示皮肤刺激装置，是将刺激电脉冲送给与病人皮肤相接触的电极，通过电对神经的刺激来消除疼痛。病人在用其治疗时会有疼痛的不适感，这种方式只能刺激皮肤表面神经和治疗疼痛有关的疾病。

神经系统脑部疾病（Brain Disease）如脑血管病、脑萎缩、脑外伤、偏头痛、癫痫等发病率高，造成的危害极大。脑部疾病与神经系统直接相关，均可致脑电基本节律的改变和脑电活动的异常。一些药物对这类疾病的疗效并不显著，有的还具有毒副作用。另外现有的理疗仪器并非针对脑部疾病特点而设计，可能会对脑神经系统造成损害。

本发明的目的在于弥补已有技术的不足，提供一种由微机控制的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪。

人体脑电按频率成分可分为δ节律、θ节律、α节律、β节律。神经系统脑部疾病患者会伴有脑电α节律下降或消失，电活动波幅低，慢活动增加，癫痫病人还会有棘慢波发放。

针对脑部疾病的这些特点，利用脑电生物反馈及电磁场生物效应，来调节病人脑电活动，提升α节律，提高脑电波幅，抑制慢波或棘慢波出现，进而改善脑神经细胞电活动和代谢，减少脑血管阻力，增加血液循环，提高大脑对氧气利用率，改善脑微循环，达到治疗脑部疾病的目的。

脑电信息反馈治疗仪是根据上述原理设计，其中脑电生物反馈以声音为提示信号，用于提示病人脑电指标的好与差。研究表明人脑磁场强度约为10^-8Gs数量级。据此仪器产生的电磁场在0～10Gs之间，频率在8～10Hz。该电磁场置于病人头部病变处和其它相关穴位上，其强度、频率及空间分布均可由计算机根据对病人脑电实时分析结果自动调节。

治疗过程中人与治疗仪构成了一个整体。一方面病人可以通过生物反馈，借助于主观努力调节脑波，另一方面治疗仪则不断实时测量分析病人脑电活动来调整电磁信号，使病人处于最佳治疗状态。病人与仪器形成了一个闭环控治系统，保障了治疗仪的疗效的稳定性，提高了治疗的显效率，使之具有安全、可靠、无副作用、无痛、可作用于深部神经组织等优点，这是电针疗法无法相比的。该仪器的使用将为神经系统脑部疾病的治疗开辟一条新途径。

本发明脑电信息反馈脑部疾病治疗仪由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括：脑电信号放大滤波器1，A/D转换板2，微型计算机主机3，及其外设显示器4、软盘驱动器5、硬盘驱动器6、键盘7、扬声器8，D/A转换板9，电磁场刺激器10。

A/D转换板和D/A转换板均插接于微机主机的扩展槽中。脑电信号放大滤波器1包括0.5Hz-300Hz的带通电路和50Hz陷波的双T有源滤波电路。这部分电路可做成电路板插入微机主机扩展槽中。

微型计算机主机3可以配有一浮点运算协处理器，从而大大提高了微机的运算速度，增强了反馈治疗的实时性。

电磁场刺激器10包括适合于8-30Hz频带的功率放大器和电磁线圈，电磁线圈可作成帽式。除帽式电磁线圈外，其余线路及部件均置于微机主机3扩展槽内，帽式电磁线圈置于患者头部。

本发明治疗仪工作步骤如下：

（1）采用额区的脑电信号进行滤波放大，经A/D转换后输入微机;（2）微机初始化后进行脑电数据采集与分析，并根据分析结果进行脑电实时反馈控制;（3）微机输出的控制信号一部分输入扬声器发出提示声信号，进行生物反馈;另一部分则经D/A转换后输入电磁场刺激器，调整置于病人头部电磁线圈所产生的电磁场的强度、频率及随时间变化，进行磁疗;（4）治疗完毕，CRT显示治疗过程中脑电指标曲线;（5）工作结束。

本发明附图说明如下：

图1是发明原理框图，其中，B为患者头部，1.脑电信号放大滤波板，2.A/D转换板，3.微型计算机主机，4.显示器，5.软盘驱动器，6.硬盘驱动器，7.键盘，8.扬声器，9.D/A转换板，10.电磁场刺激器。

图2是本发明硬件结构示意框图，其中，C是带显示器、软硬双驱、键盘、扬声器的微机，图中1、2、9、10分别是插入主机板扩展槽中的脑电信号放大滤波板、A/D转换板、D/A转换板、电磁场刺激器，L电磁线圈。

图3是本发明的脑电信号放大滤波器电路原理图，其中，A1-A3.集成运算放大器，R1-R6.电阻，C1-C5.电容，A1、A2与R1-R3、C1-C2等组成的电路是0.5-300Hz带通放大滤波器，A3与R4-R6、C3-C5组成的电路是50Hz双T有源陷波器;i、o分别是输入、输出端。

图4是本发明的电磁场刺激器电路原理图。其中，R7.电阻，Rw可变电阻，C6-C11.电容，L.电磁线圈，LA4422是集成功率放大器，①-⑩为接线脚。

图5是本发明的计算机软件总流程图，其中，11.软件启始，12.初始化程序模块，13.脑电数据采集与分析模块，14.脑电反馈控制模块，15.治疗时间到？Y.时间到继续下一程序，N.否则反回至初始化后的程序，16.CRT显示模块，17.结束。

图6是本发明的计算机软件初始化程序模块流程图，其中，18.建立快速傅氏变换所用余弦表，19.建立D/A输出控制波形表，20.输入日期，21.输入患者姓名、年龄、性别及编号，22.根据编号建立档案文件，23.计算凯泽窗函数。

图7是本发明的计算机软件脑电数据采集与分析模块流程图，其中，24.设置A/D中断并启动A/D中断，进行脑电信号采样;25.等待采样完毕;26.判断采样是否完毕？Y.是，继续下一程序，N.否，继续等待;27.对采样数据加凯泽窗处理并进行快速傅氏变换;28.判断脑电信号分析次数是否达到要求？Y.是，继续下一程序，N.否返回25继续等待;29.关采样中断;30.计算脑电指标I_a、脑电主峰Fm和脑电相干函数Coh。

图8是本发明的计算机软件脑电反馈控制模块流程图。其中，31.计算目标函数，I＝I_a+Coh;32.判断是否为首次脑电控制？Y.是，继续下一程序33，N.否，继续下一程序36;33.判断所采集的脑电信号是否伪差严重？Y.是，继续下一程序34，N.否，继续下一程序35;34.计算机自动给出一反馈信号频率范围;35.根据分析结果计算反馈信号频率范围;36.判断所采集的脑电信号是否伪差严重，Y.是，继续下一程序38，N.否，继续下一程序37;37.同35;38.同34;39.判断患者脑电活动指标的好与差，I [K]≥I [K-1]？Y.是，继续下一程序41，N.否，继续下一程序40;40.长声提示;41.进行D/A中断设置，启动D/A中断;42.进行脑电信息反馈治疗;43.治疗时间到，关D/A中断。

图9是本发明的计算机软件CRT显示模块流程图。其中，44.CRT显示脑电指标功能菜单;45.键入号码进行选择;46.判断是否结束治疗？Y.是，转结束程序17，N.否，继续下一程序;47.显示相应脑电指标曲线，显示完毕回到程序44。

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

脑电信号放大滤波板原理图见图3，其任务是接收放大脑电信号。

脑电信号分析及反馈部分由A/D转换板与微机主机承担，机上可配置协处理器，进行浮点运算。该部分完成脑电信号分析，反馈治疗方案的决策，发出相应的控制信号。

反馈执行部分由D/A转换板、扬声器及电磁场刺激器组成。线圈上产生低频（8～30Hz）弱磁（0～10Gs）信号，线圈置于病人头部病变部位及相关穴位上。扬声器用于产生生物反馈提示信号，指导病人主观努力方向。

治疗结果输出部分，由显示器（CRT）承担，输出脑电反馈控制过程脑电指标曲线。

治疗仪的软件主要由四个功能模块组成，用C语言及少量汇编语言编写而成。

下面分别对每个功能模块进行介绍：

1.初始化模块。初始化模块中DA输出控制波形表，用于PC机通过DA转换板产生模拟信号的波形控制，图形与音乐作为程序开始的提示信息。凯泽子程序用来计算凯泽窗函数，以便在后面进行加窗处理。刺激声频率决定扬声器发声的频率。

2.脑电数据采集与分析模块。由于数据采集采用A/D中断方式进行，在采样的间隙，可进行数据分析处理，测量到的脑电信号，经脑电预处理板后，干扰得到了抑制，而不会完全消除。为了减少谱估计中的频谱泄漏，对采样得到的脑电数据进行加凯泽窗处理，经快速富里叶变换（FFT），计算两道电脑的α指标I、主峰频率Fm以及在α频段内的总相干函数。采用多次采样，然后对分析结果进行迭加，来提高信噪比。

3.脑电实时反馈控制模块。该功能模块是整个系统软件的核心之一，图8是该模块的流程图，脑电反馈控制思想在这部分程序中得以实现，进行脑电反馈控制方案的决策和具体执行。

首先计算目标函数： I＝I_a+Coh

其中，I_a为脑电指标（脑电α节律功率/脑电总功率），Coh为脑电相干函数。

根据目标函数进行判断、决策，决定反馈控制方式。判断主要有两个方面，首先，检测到的脑电信号是否真实，即伪差严重与否。如果伪差严重，脑电数据不加采用，予以剔除。其次，受试者入静如何。如果入静不好，发长声提示，以便使病人加以主观意识调节，尽量减少提示声的次数。

上述过程完成后，进行D/A中断设置（包括输出信号频率范围、强度及时间变化）和启动D/A中断。治疗结束则关D/A中断。

4.CRT显示模块完成屏幕图形显示，显示各种治疗过程中脑电指标曲线。

实施例，如图1-9所示。采用IBM PC/XT主机，加8087协处理器。脑电信号放大滤波器功能为滤除输入信号中小于0.5Hz、等于50Hz和大于300Hz的干扰信号，并对脑电信号进行放大。A₁、A₃、LM324及元件R₁100KΩ，R₂750KΩ，R₃68KΩ，C₁620PF，C₂100μF构成0.5Hz～300Hz带通放大滤波器，A₃LM324及元件R₄72Ω，R₅20KΩ，R₆72Ω，C₃2.2μF，C₄2.2μF，C₅4.4μF构成50Hz双T有源陷波器。采用1232型A/D转换板和1612型D/A转换板，显示器、键盘、软硬双驱均用现有技术中已有的与主机相配的型号即可。电磁场刺激器原理图如图4所示，其中功放LA4422，R₇10KΩ，Rw200KΩ，C₆100μF，C₇200μF，C₈100μF，C₉470μF，C₁₀1000μF，C₁₁0.15μF，电磁线圈L作成帽式，便于对患者头部施加磁疗。本实施例的软件程序如图5-9所示。采样点256，采样频率128Hz，两道脑电信号取自F3、F4两个导联。

本发明经临床应用研究表明对神经系统脑部疾病如脑血管病、脑萎缩、颅脑外伤（脑震荡、轻度脑挫伤、脑外伤综合症）、偏头痛、癫痫、面肌痉挛有显著疗效，治疗期间未发现副反应。该发明治疗脑部疾病具有显效快、安全、无痛、无副作用、能作用深部神经组织等优点，临床研究认为该治疗仪除治疗外还具有预防、保健的功能，广泛适用于各类医疗保健部门，具有广阔的推广应用前景。

Claims

1、脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，包括脑电信号采集放大部分、脑电信号分析及反馈部分、反馈及执行部分、治疗结果输出部分，其特征在于，脑电信息采集放大部分是滤除输入信号中小于0.5Hz、等于50Hz、大于300Hz干扰信号的脑电信号放大滤波器，脑电信号分析及反馈部分由A/D转换板和带扬声器、键盘、软硬双驱外设的微机主机构成；反馈及执行部分是由D/A转换板、扬声器及电磁场刺激器组成；治疗结果输出部分是主机显示器；以上各线路板均插接于微机主机扩展槽内，电磁场刺激器的电磁线圈置于主机外，直接作用于患者头部。

2、如权利要求1所述的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，其特征在于，脑电信号放大滤波器包括由A₁LM324、A₂LM324集成运放与元件R₁100KΩ、R₂50KΩ、R₃68KΩ、C₁620PF、C₂100μF构成的0.5Hz-300Hz带通放大滤波器和A₃LM324与R₄72Ω、R₅20KΩ、R₆72Ω、C₃2.3μF、C₄2.3μF、C₅4.4μF构成的50Hz双T有源陷波器。

3、如权利要求1所述的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，其特征在于，电磁场刺激器由LA4422集成功率放大器和元件R₇10KΩ、R_W200KΩ、C₈100μF、C₉200μF、C₁₀1000μF、C₁₁0.15μF及电磁线圈构成。

4、如权利要求1或3所述的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，其特征在于，所说的电磁线圈是帽式电磁线圈。

5、如权利要求1所述的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪，其特征在于，所说的电磁刺激器其电磁场频率为8-30Hz、强度0-10GS。

6、一种如权利要求1所说的脑电信息反馈脑部疾病治疗仪的工作方法，其特征在于，治疗仪工作步骤如下：

（1）采用额区的脑电信号进行滤波放大，经A/D转换后输入微机。

（2）微机初使化后进行脑电数据采集与分析，并根据分析结果进行脑电实时反馈;

（3）微机输入信号一部分输入扬声器发出提示声信号。进行生物反馈，另一部分则经D/A转换后输入电磁场刺激器调整置于患者头部的电磁线圈所产生的电磁场强度、频率及随时间变化进行磁疗;

（4）治疗完毕，CRT显示治疗过程中脑电指标曲线;

（5）结束。

7、如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所说的微机初始化采用如下步骤进行：

（1）建立快速傅氏变换所用余弦表;

（2）建立D/A输入控制波形表;

（3）输入日期;

（4）输入患者姓名、年龄、性别及编号;

（5）根据编号建立档案文件;

（6）计算凯泽窗函数。

8、如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所说的微机脑电数据采集与分析工作步骤如下：

（1）设置A/D中断并启动A/D中断，进行脑电信号采样;

（2）等待采样完毕;

（3）判断采样是否完毕？是，继续下一程序;否，继续等待;

（4）对采样数据加凯泽窗处理并进行快速傅氏变换;

（5）判断脑电信号分析次数是否达到要求？是，继续下一程序;否，返回等待采样完毕;

（6）关采样中断;

（7）计算脑电指标I_a、脑电主峰频率Fm和脑电相干函数C_oh。

9、如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所说的脑电实时反馈控制按下列程序进行：

（1）计算目标函数，I＝I_a+C_oh;

（2）判断是否为首次电脑控制？

①是，继续判断所采集的脑电信号是否伪差严重？是，则计算机自动给出一频率范围，进行下一步;否，则根据分析结果计算反馈信号频率范围，进行下一步骤;

②否，继续判断所采集的脑电信号是否伪差严重？是，则计算机自动给出一频率范围，进行下一步;否，则根据分析结果计算反馈信号频率范围，然后继续判断患者的脑电活动指标的好与差？是，则进行下一步，否，则长声提示，进行下一步;

（3）进行D/A中断设置，启动D/A中断;

（4）进行脑电信息反馈治疗;

（5）治疗时间到，关D/A中断。

10、如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所说的CRT显示包括下列程序：

（1）CRT显示脑电指标功能菜单;

（2）键入号码进行选择;

（3）判断是否结束治疗？是，结束;否，则继续下一步;

（4）显示相应脑电指标曲线;

（5）显示完毕返回（1）。