CN109200462B - 一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置和方法，该装置包括定位帽以及设置在所述定位帽上的控制盒和头围调节器，定位帽顶部设有用于对大脑运动皮层进行电刺激的大脑脑区电极片组，大脑脑区电极片组包括第一阳极电极片和第一阴极电极片；头围调节器上设有用于对小脑皮层进行电刺激的小脑脑区电极片组，小脑脑区电极片组包括第二阳极电极片和第二阴极电极片；所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组分别与控制盒连接，所述控制盒设置为向所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组提供刺激电流。本发明可增强大脑运动皮层和小脑脑区的兴奋性，提高视觉‑动作转化效率，增强工作记忆，巩固技术动作的学习，从而提高使用者的运动表现。
Description
技术领域
本发明涉及经颅直流电刺激领域，尤其涉及一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置和方法。
背景技术
经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)是一种非侵入性的脑刺激方法，通过置于头颅部位的电极产生直流电来调节刺激大脑皮层的兴奋性。到目前为止，经颅直流电刺激在临床研究和应用中已取得一定成果，证实其对慢性疼痛、神经疾病和精神疾病有一定的疗效。近年来有关经颅直流电刺激在运动科学中的研究和应用也逐渐受到关注，已有大量研究证实经颅直流电刺激可以改善人体的运动表现，包括提高肌肉爆发力、延缓运动疲劳、加速运动技能的学习和获得等。目前市场上已有多种经颅直流电刺激设备，但多用于医疗和科研，尚未有用于运动员训练时穿戴使用并针对运动表现增强用途所专门设计的直流电刺激装置，也尚未见利用序列化刺激方法刺激不同脑区并结合声音正向反馈刺激的经颅直流电刺激运动训练方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置和方法，来达到使运动员运动表现增强的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置，该装置包括定位帽以及设置在所述定位帽上的控制盒和头围调节器，其中，
所述定位帽顶部设有用于对大脑运动皮层进行电刺激的大脑脑区电极片组，所述大脑脑区电极片组包括第一阳极电极片和第一阴极电极片；
所述头围调节器上设有用于对小脑皮层进行电刺激的小脑脑区电极片组，所述小脑脑区电极片组包括第二阳极电极片和第二阴极电极片；
所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组分别与所述控制盒连接，所述控制盒设置为向所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组提供刺激电流。
进一步地，所述控制盒包括主控模块以及与所述主控模块连接的恒流直流发生模块、控制按键和显示模块，其中，所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组分别与所述恒流直流发生模块连接。
进一步地，所述控制盒还包括与所述主控模块连接的指示灯、蜂鸣器和/或无线通讯模块。
进一步地，所述第一阳极电极片、第一阴极电极片、第二阳极电极片和第二阴极电极片分别包括依次叠置的低温热塑板、导电硅胶片和海绵片。
进一步地，所述导电硅胶片上设有穿过所述低温热塑板的第一金属卡扣，所述定位帽或头围调节器上设有与所述第一金属卡扣配合的第二金属卡扣。
进一步地，所述头围调节器包括头围带和头围调节旋钮；
所述头围带包括左段和右段，其中，左段的前部与右段的前部固定在所述定位帽上，左段的后部与右段的后部位于定位帽下方且相叠，在相叠的区域分别开设有相对的第一长条齿形孔和第二长条齿形孔；
所述头围调节旋钮包括依次同轴连接的旋转部、齿形部和旋钮头部，所述齿形部从一侧卡入第一长条齿形孔和第二长条齿形孔中，并与所述第一长条齿形孔和第二长条齿形孔啮合，所述旋转部与所述旋钮头部分别位于所述第一长条齿形孔和第二长条齿形孔的外侧，以将所述头围带左段的后部与右段的后部连接起来。
本发明另一方面提供一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激方法，该方法利用前述的用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置对用户的大脑运动皮层和小脑皮层进行电刺激。
进一步地，所述电刺激方法包括：
在运动训练开始前，使所述控制盒向所述大脑脑区电极片组提供一段时间的刺激电流，以对用户的大脑运动皮层进行电刺激；
在运动训练过程，使所述控制盒停止向所述大脑脑区电极片组提供刺激电流，而向所述小脑脑区电极片组提供刺激电流，以对用户的小脑皮层进行电刺激；
在运动训练结束后，使所述控制盒停止向所述小脑脑区电极片组提供刺激电流，而向所述大脑脑区电极片组提供一段时间的刺激电流，以对用户的大脑运动皮层进行电刺激。
进一步地，所述电刺激方法还包括：在运动训练过程，当用户做出正确的技术动作时，由教练操控蜂鸣器发出相应的反馈提示声音。
进一步地，所述控制盒在开始向所述大脑脑区电极片组或小脑脑区电极片组提供刺激电流时，使刺激电流从0mA经过一段时间逐渐上升至预定强度；所述控制盒在停止向所述大脑脑区电极片组或小脑脑区电极片组提供刺激电流时，使刺激电流从至预定强度经过一段时间逐渐下降至0mA。
通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的经颅直流电刺激装置能够很好地刺激大脑运动皮层和小脑皮层深部，达到良好的运动表现增强效果。
2、本发明适用于运动员训练时穿戴使用，对运动干扰小。
3、本发明中的定位帽能够准确定位，通过头围调节器能够确保大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组与头部相应刺激位置紧密接触，不会在运动过程中因晃动而移位。
4、本发明经颅直流电刺激装置中的电极片包含低温热塑板，可以根据使用者的头型进行低温热塑成型，从而确保电极片从外形上与使用者头部的贴合性，提高了使用舒适性，而海绵片的设置减小了电阻，减轻了刺激时皮肤的刺痒感。
5、本发明设置的大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组分别作用于大脑运动皮层区域和小脑区域，可增强大脑运动皮层和小脑脑区的兴奋性，提高视觉-动作转化效率，增强工作记忆，巩固技术动作的学习，从而提高使用者的运动表现。
6、本发明经颅直流电刺激方法提供了一种序列式的颅外电流刺激方法：在运动训练开始前的热身准备活动阶段，利用恒定低强度直流电对大脑运动皮层进行刺激，可以提高大脑运动皮层的兴奋性；运动训练的过程中，利用恒定低强度直流电对小脑皮层进行刺激，可以加速动作技能的学习，提高视觉-动作转化，减少动作的错误率，增强工作记忆，提高运动表现，并可选择性地通过蜂鸣器配合声音刺激进行正向积极反馈，加强运动员对正确动作技能的记忆；在运动训练结束后的整理放松阶段，利用恒定低强度直流电对大脑运动皮层进行刺激，可以巩固在训练阶段内习得的技术动作，从而提高使用者的运动表现。除序列化刺激以外，使用者可根据需要，选择对大脑运动皮层或小脑脑区进行单独刺激。
7、本发明的控制盒中设有无线通讯模块，可通过手机、平板电脑等便携式移动设备进行无线连接并对刺激过程进行控制，方便教练员同时监控多名运动员的刺激过程。
8、本发明经颅直流电刺激装置的控制盒中带有蜂鸣器，除了可被控制发出鸣响提示使用者当前操作进程外，在运动训练过程中，当运动员做出正确动作时，教练员也可控制蜂鸣器发出特定时长和频率的鸣响以进行声音提示刺激，正向积极强化使用者的正确动作，可加强运动员对正确动作的记忆。
附图说明
图1为本发明一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置的佩戴示意图；
图2为本发明一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置的仰视图；
图3为本发明一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置的后视图；
图4为本发明中控制盒各组件的电路连接框图；
图4A为本发明中控制盒的正面示意图；
图5为本发明中第一阳极电极片的结构示意图；
图5A为图5中第一阳极电极片的分解图；
图6为本发明中头围调节器从上往下的局部放大图；
图6A为本发明中头围调节器从后往前的局部放大图；
图6B为本发明中头围调节器从前往后的局部放大图。
具体实施方式
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。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。
结合图1-3所示，本发明一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置，包括定位帽1以及设置在定位帽1上的控制盒2和头围调节器3。其中，定位帽1顶部设有与用户大脑运动皮层区域位置(即国际脑电10-20系统中的C3、CZ、C4前后3厘米的位置)对应以用于对大脑运动皮层进行电刺激的大脑脑区电极片组4，该大脑脑区电极片组4包括一个阳极电极片和一个阴极电极片，分别记为第一阳极片和第一阴极电极片；头围调节器3上设有两个与用户小脑皮层区域位置(即小脑枕骨两侧、双耳之后的位置)对应以用于对小脑皮层进行电刺激的小脑脑区电极片组5，该小脑脑区电极片组5同样包括一个阳极电极片和一个阴极电极片，分别记为第二阳极片和第二阴极电极片；且大脑脑区电极片组4和小脑脑区电极片组5分别与设置在定位帽1外侧的控制盒2连接，该控制盒2用于向大脑脑区电极片组4和小脑脑区电极片组5提供大小可调的刺激电流。
本发明中的定位帽1包括但不限于图1-图3所示的棒球帽形式，也可以是保暖帽、运动头带/头巾、运动头盔(如自行车头盔、滑雪头盔)等，以满足不同运动、不同季节、室内和户外使用需求。
在图4-4A所示的实施例中，控制盒2包括主控模块21以及与主控模块21连接的恒流直流发生模块22、控制按键23、显示模块24、指示灯25、蜂鸣器26和无线通讯模块27，前述大脑脑区电极片组4和小脑脑区电极片组5分别与恒流直流发生模块22连接。其中，控制按键23用于供用户输入操作指令；无线通讯模块27用于连接外部手机或平板中的APP以接收APP传入的操作指令；主控模块21用于接收控制按键23和无线通讯模块27传入的操作指令，并根据操作指令控制恒流直流发生模块22、显示模块24、指示灯25和蜂鸣器26执行相应动作；恒流直流发生模块22用于在主控模块21的控制下产生0mA-2.5mA之间大小可调的刺激电流传递至大脑脑区电极片组4和小脑脑区电极片组5以对用户的大脑运动皮层和小脑皮层进行电刺激。
在本实施例中，上述主控模块21、恒流直流发生模块22和无线通讯模块27设置于一盒体28内部，控制按键23、显示模块24、指示灯25和蜂鸣器26设置于该盒体28外部。其中，用户可通过盒体28上的控制按键23启动、暂停或终止刺激进程，也可使用手机或平板电脑等便携式移动设备以无线连接的方式启动、暂停或终止刺激进程。显示模块24用于显示当前刺激电流的电流值大小、以及工作时间长度。指示灯25以不同颜色及闪烁方式表示经颅直流电刺激装置当前工作状态。
在本实施例中，蜂鸣器26用于发出鸣响，当经颅直流电刺激装置进入不同进程，可控制蜂鸣器26发出相应的提示声音，例如，主控模块1在控制恒流直流发生模块22启动、暂停或终止提供刺激电流时，同步控制蜂鸣器26发出对应的提示声音。蜂鸣器26除了起到上述工作进程状态提示作用外，同时也是用于声音刺激实现运动技能训练正向积极反馈的核心部件。具体来说，运动员佩戴本发明经颅直流电刺激装置进行训练时，教练员利用手机或平板电脑等便携式移动设备通过无线信号与本装置进行连接，即可接入本装置的无线操作界面。每当运动员做出正确的技术动作时，教练员便通过手机或平板电脑控制蜂鸣器26发出特殊的提示音，告知运动员该技术动作正确；当运动员做出的技术动作不正确时，则教练员不给予声音刺激提示。如此反复操作，即可通过声音刺激对正确的动作技能进行强化，达到加速运动技能学习、巩固正确技术动作的训练目的。
在本发明中，构成大脑脑区电极片组4和小脑脑区电极片组5的电极片结构相同，面积均在20cm2-40cm2之间。图5和5A示出了第一阳极电极片的具体结构，第一阴极电极片、第二阳极电极片和第二阴极电极片均与第一阳极电极片的结构相同，故不再赘述。参阅图5和5A，第一阳极电极片包括依次叠置的低温热塑板41、导电硅胶片42和海绵片43。其中，低温热塑板41用于根据用户头型进行个性化定制成型，达到最佳贴合效果；海绵片43用于减少电阻，减轻刺激时皮肤的刺痒感。用户在使用前须用生理盐水充分湿润电极片上的海绵片43，然后再如图1所示佩戴本装置。
再次参阅图5A，各电极片的导电硅胶片42上设有穿过低温热塑板41的第一金属卡扣(例如金属揿钮)421，该第一金属卡扣421将与定位帽1或头围调节器3上的第二金属卡扣(未示出)配合，从而实现电极片的固定。相比通常采用的魔术贴固定方式，金属卡扣固定更为稳固，不会因为激烈的运动而发生移位，同时可作为电极片与连接导线的触点。
下面结合图1-3、6-6B说明本发明的头围调节器3的具体结构。需说明的是，图6-6B是对图3中虚框内结构的局部放大图，在图6-6B中，为了更好地示出头围调节器3的调节原理，省略了图1-3中的保护套35。如图1-3、6-6B所示，本发明的头围调节器3包括头围带和头围调节旋钮。其中，头围带包括左段31和右段32，左段31的前部与右段32的前部固定在定位帽1上，左段31的后部与右段32的后部位于定位帽1下方且相叠，在相叠的区域分别开设有相对的第一长条齿形孔和第二长条齿形孔。头围调节旋钮包括依次同轴连接的旋转部33、齿形部34和旋钮头部(未示出)，齿形部34从一侧卡入第一长条齿形孔和第二长条齿形孔中，并与第一长条齿形孔和第二长条齿形孔啮合，旋转部33与旋钮头部分别位于第一长条齿形孔和第二长条齿形孔的外侧，以将头围带左段31的后部与右段32的后部连接起来。当对头围调节旋钮的旋转部33进行顺时针或逆时针旋转操作时，便可收紧或放松头围带，达到调整的目的。
再次参阅图2和3，头围调节器3的左段31后部与右段32后部分别设有一小脑脑区电极片组安装板36，该电极片安装板36内侧设有前述第二金属卡扣，用以与第二阳极电极片和第二阴极电极片上的第一金属卡扣卡接配合，从而实现小脑脑区电极片组5的安装固定。在本实施例中，头围调节器3可以调节至完全贴合使用者头围，以使定位帽1稳定在使用者头部的位置，从而确保在运动训练过程中大脑脑区电极片组4和小脑脑区电极片组5始终可以牢固贴合在使用者的大脑运动皮层区域和小脑皮层区域。头围带可作为小脑脑区电极片组导线的走线通道，导线直接穿附在头围带内，结构紧凑，不会被意外拉断，满足运动训练的需求，延长本发明装置的使用寿命。
本发明另一方面提供一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激方法，该方法使用前述用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置对用户进行电刺激，具体包括以下步骤：在运动训练开始前的热身准备活动阶段，利用恒定低强度直流电对大脑运动皮层进行刺激，以提高大脑运动皮层的兴奋性，延缓随后进行训练的疲劳发生；在运动训练的过程中，利用恒定低强度直流电对小脑进行刺激，此时使用者须进行运动训练，如抗阻训练、爆发力训练、运动技能训练等，以加速动作技能的学习，提高视觉-动作转化，声音及节奏适应的强化，减少动作的错误率，增强工作记忆，提高运动表现。如有教练在场对动作进行指导和纠正，可使用手机或平板电脑等便携式移动设备通过无线连接的方式触发控制装置内的蜂鸣器26对使用者的正确技术动作进行声音提示刺激，正向积极强化使用者的正确动作，可加强运动员对正确动作技能的记忆，从而进一步增强使用者运动技能的学习和发展；在运动训练结束后的整理放松阶段，利用恒定低强度直流电对大脑运动皮层进行刺激，以巩固在训练阶段内习得的技术动作，从而提高使用者的运动表现。除序列化刺激以外，使用者可根据需要，选择对大脑运动皮层或小脑脑区进行单独刺激。已有大量研究证实经颅直流电刺激可以改善人体的运动表现，包括提高肌肉爆发力、延缓运动疲劳、加速运动技能的学习和获得等。三个阶段中，每个阶段的执行时间可以根据需要自行设定，例如分别设定为执行20分钟。
为了实现更好的运动增强效果，在运动训练过程中，当运动员做出正确的技术动作时，教练员通过手机或平板电脑控制蜂鸣器26发出相应的反馈提示音，告知运动员该技术动作正确；当运动员做出的技术动作不正确时，则教练员不给予声音刺激提示。如此反复操作，即可通过声音刺激对正确的动作技能进行强化，达到加速运动技能学习，巩固正确技术动作的训练目的。
另外，为避免使用者感受到电流带来的刺痛感，当控制盒2在开始向大脑脑区电极片组4或小脑脑区电极片组5提供刺激电流时，使刺激电流从0mA开始，经过约30秒逐渐上升至预定强度(如2.5mA)；当控制盒2在停止向大脑脑区电极片组4或小脑脑区电极片组5提供刺激电流时，使刺激电流从至预定强度2.5mA，经过约30秒逐渐下降至0mA。
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 (6)
1.一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置，其特征在于，该装置包括定位帽以及设置在所述定位帽上的控制盒和头围调节器，其中，
所述定位帽顶部设有用于对大脑运动皮层进行电刺激的大脑脑区电极片组，所述大脑脑区电极片组包括第一阳极电极片和第一阴极电极片；
所述头围调节器上设有用于对小脑皮层进行电刺激的小脑脑区电极片组，所述小脑脑区电极片组包括第二阳极电极片和第二阴极电极片；
所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组分别与所述控制盒连接，所述控制盒设置为向所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组提供刺激电流；
所述控制盒包括主控模块以及与所述主控模块连接的恒流直流发生模块、控制按键和显示模块，其中，所述大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组分别与所述恒流直流发生模块连接；
所述控制盒还包括与所述主控模块连接的指示灯、蜂鸣器和/或无线通讯模块；
所述控制按键用于供用户输入操作指令；
所述无线通讯模块用于连接外部手机或平板中的APP以接收APP传入的操作指令；
所述主控模块用于接收所述控制按键和所述无线通讯模块传入的操作指令，并根据操作指令控制所述恒流直流发生模块、所述显示模块、所述指示灯和所述蜂鸣器执行相应动作；
所述恒流直流发生模块用于在所述主控模块的控制下产生0mA-2.5mA之间大小可调的刺激电流传递至大脑脑区电极片组和小脑脑区电极片组以对用户的大脑运动皮层和小脑皮层进行电刺激；
在运动训练开始前，所述控制盒向所述大脑脑区电极片组提供一段时间的刺激电流，以对用户的大脑运动皮层进行电刺激；
在运动训练过程，所述控制盒停止向所述大脑脑区电极片组提供刺激电流，而向所述小脑脑区电极片组提供刺激电流，以对用户的小脑皮层进行电刺激；
在运动训练结束后，所述控制盒停止向所述小脑脑区电极片组提供刺激电流，而向所述大脑脑区电极片组提供一段时间的刺激电流，以对用户的大脑运动皮层进行电刺激；
所述控制盒在开始向所述大脑脑区电极片组或小脑脑区电极片组提供刺激电流时，使刺激电流从0mA经过一段时间逐渐上升至预定强度；所述控制盒在停止向所述大脑脑区电极片组或小脑脑区电极片组提供刺激电流时，使刺激电流从至预定强度经过一段时间逐渐下降至0mA。
2.根据权利要求1所述的用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述第一阳极电极片、第一阴极电极片、第二阳极电极片和第二阴极电极片分别包括依次叠置的低温热塑板、导电硅胶片和海绵片。
3.根据权利要求2所述的用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述导电硅胶片上设有穿过所述低温热塑板的第一金属卡扣，所述定位帽或头围调节器上设有与所述第一金属卡扣配合的第二金属卡扣。
4.根据权利要求1所述的用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置，其特征在于，所述头围调节器包括头围带和头围调节旋钮；
所述头围带包括左段和右段，其中，左段的前部与右段的前部固定在所述定位帽上，左段的后部与右段的后部位于定位帽下方且相叠，在相叠的区域分别开设有相对的第一长条齿形孔和第二长条齿形孔；
所述头围调节旋钮包括依次同轴连接的旋转部、齿形部和旋钮头部，所述齿形部从一侧卡入第一长条齿形孔和第二长条齿形孔中，并与所述第一长条齿形孔和第二长条齿形孔啮合，所述旋转部与所述旋钮头部分别位于所述第一长条齿形孔和第二长条齿形孔的外侧，以将所述头围带左段的后部与右段的后部连接起来。
5.一种用于增强运动表现的经颅直流电刺激方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-4中任一项所述的用于增强运动表现的经颅直流电刺激装置对用户的大脑运动皮层和小脑皮层进行电刺激。
6.根据权利要求5所述的用于增强运动表现的经颅直流电刺激方法，其特征在于，所述电刺激方法还包括：在运动训练过程，当用户做出正确的技术动作时，由教练操控蜂鸣器发出相应的反馈提示声音。
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