CN109453453A - 一种经颅磁刺激智能助眠系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种经颅磁刺激智能助眠系统，包括设置在脑区表层的刺激装置、能够对脑区及刺激装置进行扫描的扫描装置、能够对刺激装置进行定位操作的定位装置、能够采集脑电波信号的脑电波传感器及磁场发生装置；脑电波传感器设置在脑区表层，脑电波传感器与磁场发生装置连接，磁场发生装置与刺激装置连接，扫描装置与定位装置连接，定位装置与磁场发生装置连接。本发明所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，解决了现有技术中，难以通过目标脑区的精准定向刺激，对人体脑波的不同状态进行智能识别，来起到助眠作用，更难以随着刺激需要实现任意脑区的定向刺激，根据脑波的实时状态，动态调节磁场频率和强度起到助眠作用的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，尤其是涉及一种经颅磁刺激智能助眠系统。
背景技术
人体的睡眠是一种周期性的活动，大脑由清醒到睡眠的过程中，脑电波频率有规律地进行变化。由于现代社会的快速发展，人们的工作、生活节奏紧张且压力较大，导致睡眠时间不足、质量低下，最终导致睡眠紊乱或失眠。在治疗中，一般是采用药物和/或心理咨询的方法。此外还有经颅电刺激和永磁体磁刺激等物理性治疗方式。近年来出现了一种新型的技术，即经颅磁刺激技术。该技术的工作原理是通过高场强的脉冲电磁场穿透颅骨，作用于较深位置的神经组织引起感应电动势，从而诱发神经细胞的兴奋或抑制。由于不需穿透皮肤安装装置，因此具有无创无痛等优点。
但是该技术在临床发展中难以实现目标脑区的精准定向刺激，更难以随着刺激需要实现任意脑区的定向刺激。目前临床中常用的圆形线圈和八字形线圈均难以实现定向刺激。四川大学的黄卡玛等人发明了17个单元线圈组成的半球面排列线圈阵可以定向刺激到大脑中心位置，然而随着刺激需要改变刺激位置后该结构的线圈便不适用了。成都信息工程学院的牟翔永等人发明了一种由中心线圈和位于中心线圈所在平面同一侧的周边线圈组成的线圈阵列，同样具有定向刺激大脑中心的功能但难以实现大脑任意脑区的刺激。在这些磁场定向聚焦的方法中，均采用了固定的线圈排布方式，因此限制了磁场作用的目标区域，很难灵活地刺激大脑中不同区域，更难以应用于其他领域中任意位置的定向磁刺激。
该技术是通过通电的线圈产生磁场，因此磁场的频率具有可调性，使用中可以大大增加使用者的舒适感。但目前的科学技术中仅仅关注使使用者进入睡眠的问题，而较少的考虑到使用者初始状态进入睡眠状态的过程。陈晋莉在论文《1Hz重复经颅磁刺激治疗失眠症的临床研究》中利用该技术进行了睡眠治疗的研究，利用1Hz的磁场促进使用者进入睡眠。1Hz在睡眠周期中是深度睡眠频率，而正常情况下人的睡眠是一个周期性过程，从浅睡眠逐步进入深度睡眠，大脑电波的频率逐渐降低，直至1Hz左右。这种直接使用1Hz进行助眠的技术有可能会造成使用者的不适并加剧睡眠障碍。在人们的睡眠问题上另一个亟待解决的问题是难以唤醒。2014年天津大学的周鹏发明了一种生物自反馈的睡眠监护磁疗仪，但是该发明主要起到监护诱导睡眠的作用，没有诱导使用者醒来的功能。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种经颅磁刺激智能助眠系统，解决了现有技术中，在难以通过目标脑区的精准定向刺激，进而实现对人体脑波的不同状态进行智能识别，来起到助眠作用，更难以随着刺激需要实现任意脑区的定向刺激，根据脑波的实时状态，进行动态调节起到助眠磁场的强度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种经颅磁刺激智能助眠系统，包括能够设置在脑区表层的刺激装置、能够对脑区及刺激装置进行扫描的扫描装置、能够对刺激装置进行定位操作的定位装置、能够采集脑电波信号的脑电波传感器及能够起到助眠效果的磁场发生装置；
所述脑电波传感器能够设置在脑区表层，所述脑电波传感器及刺激装置在所述脑区表层位置交错设置，所述脑电波传感器与所述磁场发生装置连接，所述磁场发生装置与所述刺激装置连接，所述扫描装置与所述定位装置连接。
进一步的，所述定位装置与所述磁场发生装置连接
进一步的，所述磁场发生装置包括脉冲磁场发生器及脑电信号分析控制器，所述脑电信号分析控制器与所述脉冲磁场发生器连接，所述脉冲磁场发生器与所述刺激装置连接，所述脑电波传感器与所述脑电信号分析控制器连接。
进一步的，所述脑电波传感器能够设置在脑区表层前额部位。
进一步的，所述刺激装置包括一层或多层线圈结构；
当刺激装置包括一层线圈结构时，线圈结构能够设置在脑区表层；
当刺激装置包括多个线圈结构时，第一层线圈结构能够设置在脑区表层，第二层以上的多层线圈结构均紧贴排列设置在第一层线圈结构上方，每一所述线圈结构均与脉冲磁场发生器连接。
进一步的，所述线圈结构包括多个线圈，多个线圈排列能够设置在所述脑区睡眠中枢表层，每一所述线圈均与所述脑电波传感器位置交错设置。
进一步的，所述脑电波传感器外侧设有电磁罩。
相对于现有技术，本发明所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统具有以下优势：
本发明所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，本装置基于健康睡眠脑电波，对睡眠障碍者脑电波进行实时监测与分析，应用连续可变频率和可变强度的经颅磁刺激技术来调整睡眠相关的脑电波进入健康模式，可以提高入睡、睡眠和唤醒等睡眠全程的质量，改善睡眠障碍和睡眠紊乱。长时间使用可以诱导使用者的脑电波逐步恢复正常的睡眠模式。本装置中结合定向叠加目标脑区的经颅磁刺激技术，可以定向刺激到神经中枢脑区，精准的刺激可以使得助眠效果更好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统中的脉冲磁场发生器与刺激线圈电路图。
附图标记说明：
1-脑区；101-靶点；2-扫描装置；201-脑区扫描仪；202-视觉扫描传感器；3-定位装置；301-计算单元；302-视觉监测传感器；303-机械臂结构；304-PC端；4-脑电波传感器；5-磁场发生装置；501-脑电信号分析控制器；502-脉冲磁场发生器；6-刺激装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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”、“相连”、“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，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种经颅磁刺激智能助眠系统，如图1所示，包括能够设置在脑区1表层的刺激装置6、能够对脑区1及刺激装置6进行扫描的扫描装置2、能够对刺激装置6进行定位操作的定位装置3、能够采集脑电波信号的脑电波传感器4及能够起到助眠效果的磁场发生装置5；
脑电波传感器4设置在脑区1表层，脑电波传感器4及刺激装置6在脑区1表层位置交错设置，脑电波传感器4与磁场发生装置5连接，磁场发生装置5刺激装置6连接，扫描装置2与定位装置3连接，定位装置3与磁场发生装置5连接，PC端304与脑电信号分析控制器501连接。
扫描装置2包括脑区扫描仪201及能够对刺激装置6进行扫描的视觉扫描传感器202，脑区扫描仪201及视觉扫描传感器202均与定位装置3连接，脑区扫描仪201可选用MRI仪或CT仪，扫描方式优选为核磁共振成像的方式，但是如果患者带有心脏起搏器等金属异物建议使用CT成像方式，所以本实施例中脑区扫描仪201均选用CT仪。
脑区扫描仪201及视觉扫描传感器202均与计算单元301相连，定位装置3包括计算单元301及能够定位刺激装置6的机械臂结构303；
计算单元301与机械臂结构303连接。计算单元301通过视觉监测传感器302检测机械臂结构303。
视觉监测传感器302能够将监测机械臂结构303移动位置信息传输至PC端304。
机械臂结构303包括多个机械臂，通过机械臂抓取线圈，刺激装置6包括多个能够被机械臂结构303抓取的线圈，多个线圈排列设置在脑区1表层。
磁场发生装置5包括脉冲磁场发生器502及脑电信号分析控制器501，脑电信号分析控制器501与脉冲磁场发生器502连接，脉冲磁场发生器502与刺激装置6连接，脑电波传感器4与脑电信号分析控制器501。
脑电波传感器4设置在脑区1表层前额部位。
刺激装置6包括一层或多层线圈结构；
当刺激装置包括一层线圈结构时，线圈结构设置在脑区1表层；
当刺激装置6包括多个线圈结构时，第一层线圈结构设置在脑区1表层，第二层以上的多层线圈结构均紧贴排列设置在第一层线圈结构上方，每一线圈结构均与脉冲磁场发生器502。
线圈结构包括多个线圈，多个线圈排列设置在脑区1睡眠中枢表层，每一线圈均与脑电波传感器4位置交错设置。
线圈安放步骤为：
S1：扫描装置3对脑区1内部及设置在脑区1表层的线圈进行扫描，提取脑区1内的靶点101及每一线圈中心的三维空间坐标信息；
S2：扫描装置3将靶点101与每一线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置3；
S3：计算单元301首先根据靶点101及每一线圈中心的三维空间坐标信息进行计算，求解线圈平面在三维空间中的空间角度，具体计算公式及步骤如下：
(1)设靶点101的空间坐标为(x0，y0，z0)，每一线圈的中心坐标为(xk，yk，zk)，k为线圈编号；
(2)靶点101和单一线圈中心的连线为线圈的法向量n，方向由线圈中心指向靶点101；
(3)以单一线圈的几何中心为局部坐标系中心，线圈的径向平面为xoy平面，法向量方向为z轴，采用右手坐标系，建立各个线圈的局部坐标系；则每个线圈在局部坐标系下的法向量为n′；
根据空间坐标变换公式，即可求得线圈的空间角度εx，εy，εz；
n′＝(0，0，1)
n＝[R(εz)·R(εx)·R(εy)]·n′+(xk，yk，zk)
其中R(εx)，R(εy)，R(εz)为旋转矩阵；
计算单元301将求得的空间角度传输至机械臂结构303，机械臂结构303将线圈旋转到指定的空间角度；
S4：重复步骤S2～S3，放置多个线圈。
脑电波传感器4外侧设有电磁罩。
本实例的工作方式
人体在睡眠的过程中，首先是清醒状态，此时脑电波频率处于β波段，频率为14～30Hz。然后进入浅睡眠状态，此时脑电波处于α波段，频率为8～13Hz。之后会进入深度睡眠的状态，此时脑电波处于δ波段，频率为1～3Hz。在整个睡眠的过程中，人体从清醒逐步进入深度睡眠后，并不会一直处于深度睡眠的状态，而是一直在浅睡眠到深度睡眠之间交替变化。
如图1所示，本发明的一种经颅磁刺激智能助眠系统在实施过程中按以下步骤进行：
1、获取病灶和线圈中心点的空间坐标：通过CT仪扫描图像确定目标靶点101睡眠中枢脑区的三维空间坐标。根据病灶的位置，初选一个距离病灶较近的位置作为线圈的中心点位置，手动将线圈放置于此处然后用定位装置中的机械臂夹住。通过视觉扫描传感器202获得线圈与大脑整体的三维空间坐标信息，提取线圈中心点的坐标；
2、线圈固定至指定位置：将病灶与线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置3中的计算单元301。经过计算单元301得到线圈的空间角度传送至视觉监测传感器302在PC端304显示出来作为标准位置，同时将空间角度的信息传送到机械臂，机械臂根据空间角度的数据将线圈旋转到指定的位置。视觉监测传感器302监测机械臂最终的位置并与标准位置进行对比，如果有偏差反馈到机械臂直至与标准位置一致。线圈定位完成之后PC端将信号发送至脑电信号分析控制器501；
3、实时采集大脑脑电波信号：通过脑电波传感器4紧贴于头皮上方，进行脑电波信号的采集工作，然后通过通信模块将数据传送至脑电信号分析控制器501；
4、如图2所示，产生所需频率和强度的电流：脑电信号分析控制器501将采集到的脑电波信号进行频谱分析得到人体此时干净的脑电波信号，然后将该信号的频率值对应不同睡眠阶段的脑电波频率值从而判断人体实时的睡眠状态并给出所需的电流频率和幅值参考值，接收到定位装置的PC端304的信号后，将电流频率和幅值的参考值传送到脉冲磁场发生器502。如果此时使用者是清醒状态，脑电信号分析控制器501就会给出14Hz、12Hz、10Hz、8Hz、4Hz、2Hz、1Hz，脉冲峰值0～5000安匝的电流参考频率及强度；如果此时使用者是浅睡眠的状态，信号分析控制器就会给出8Hz、6Hz、4Hz、2Hz、1Hz，脉冲峰值0～5000安匝的电流参考频率及强度。如图2所示，脉冲磁场发生器由以下几部分组成：高压直流电源AC-DC、电容充电电路、IGBT控制电路、电容放电电路。电容充电电路由高压直流电源、IGBT1、电容、限流电阻R1组成。电容放电电路由电容、IGBT2、续流电阻R2、续流二极管D1、线圈组成。IGBT控制电路主要由微控制器产生控制信号。基于脑电信号分析控制器501给出的电流参考频率和强度，通过上位机进行编程，然后把程序烧录到微控制器中执行程序。通过微控制器控制IGBT的通断频率来控制电容的充放电频率从而实现电流频率的调节。
5、产生调节脑电波的磁场：磁场发生装置5中的脉冲磁场发生器502电路与刺激装置6中的线圈进行电路连接，将脉冲磁场发生装置502中产生的电流传到线圈。线圈中通入电流后产生相应频率和强度的磁场。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：包括能够设置在脑区(1)表层的刺激装置(6)、能够对脑区(1)及刺激装置(6)进行扫描的扫描装置(2)、能够对刺激装置(6)进行定位操作的定位装置(3)、能够采集脑电波信号的脑电波传感器(4)及能够起到助眠效果的磁场发生装置(5)；
所述脑电波传感器(4)能够设置在脑区(1)表层，所述脑电波传感器(4)及刺激装置(6)在所述脑区(1)表层位置交错设置，所述脑电波传感器(4)与所述磁场发生装置(5)连接，所述磁场发生装置(5)与所述刺激装置(6)连接，所述扫描装置(2)与所述定位装置(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：所述定位装置(3)与所述磁场发生装置(5)连接。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：所述磁场发生装置(5)包括脉冲磁场发生器(502)及脑电信号分析控制器(501)，所述脑电信号分析控制器(501)与所述脉冲磁场发生器(502)连接，所述脉冲磁场发生器(502)与所述刺激装置(6)连接，所述脑电波传感器(4)与所述脑电信号分析控制器(501)连接。
4.根据权利要求3所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：所述脑电波传感器(4)能够设置在脑区(1)表层前额部位。
5.根据权利要求4所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：所述刺激装置(6)包括一层或多层线圈结构；
当刺激装置(6)包括一层线圈结构时，线圈结构能够设置在脑区(1)表层；
当刺激装置(6)包括多个线圈结构时，第一层线圈结构能够设置在脑区(1)表层，第二层以上的多层线圈结构均紧贴排列设置在第一层线圈结构上方，每一所述线圈结构均与脉冲磁场发生器(502)连接。
6.根据权利要求5所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：所述线圈结构包括多个线圈，多个线圈能够排列设置在所述脑区(1)睡眠中枢表层，每一所述线圈均与所述脑电波传感器(4)位置交错设置。
7.根据权利要求4-6任一项所述的一种经颅磁刺激智能助眠系统，其特征在于：所述脑电波传感器(4)外侧设有电磁罩。
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