CN110354393A - 中枢神经磁刺激装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中枢神经磁刺激装置，包括电源、控制电路和线圈部件，所述控制电路包括主控芯片和主电路，所述电源为所述控制电路供电，所述控制电路输出时变电流至所述线圈部件，以产生相应的时变磁场；所述时变磁场的区域与头部尺寸相匹配，所述时变电流以2000Hz以上的频率输出，且以设定占空比构成节律性簇状发放的串列。该中枢神经磁刺激装置能够对大脑施加磁场强度分布近似均匀而可达深脑的弱强度高频节律性簇状发放的磁刺激，用于制作保健或医疗器械，改善脑功能、治疗脑疾病。

Description

中枢神经磁刺激装置
技术领域
本发明涉及中枢神经系统的治疗设备技术领域，特别是涉及一种中枢神经磁刺激装置。
背景技术
中枢神经系统疾病或精神疾病，是一大类慢性脑疾病，目前，除了药物和心理治疗外，在物理因子治疗方面，主要由电刺激或磁刺激来实现。
其中，磁刺激技术以TMS(经颅磁刺激)或rTMS(重复经颅磁刺激)为主要发展领域，相对于电刺激的疼痛、抽搐、记忆减退等副作用，由于磁刺激的无痛、无创伤、非接触的特性以及在临床治疗中的疗效被不断发现，应用领域正在扩大。
因为磁感应强度是随距离的指数量级衰减，现有的仪器很难有效刺激大脑深部，或者使大脑表层接收超强刺激换得深部的有效刺激，无法达到较好的生物学效果。另外，高强度磁场要考虑聚焦和安全问题，不适宜居家使用，如果不定位地用于全脑还有诱发癫痫的风险。
因此，如何改进现有中枢神经磁刺激装置，达到更好的生物学效果，更安全更方便地使用，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种中枢神经磁刺激装置，该中枢神经磁刺激装置能够对大脑施加磁场强度分布近似均匀而可达深脑的弱强度高频节律性簇状发放的磁刺激，达到更好的生物学效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种中枢神经磁刺激装置，包括电源、控制电路和线圈部件，所述控制电路包括主控芯片和主电路，所述电源为所述控制电路供电，所述控制电路输出时变电流至所述线圈部件，以产生相应的时变磁场；所述时变磁场的作用区域与人体头部尺寸相匹配，所述时变电流以2000Hz以上的频率输出，且以设定占空比构成节律性簇状发放的串列。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述线圈部件包括多个线圈，各所述线圈的输出相互独立。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，各所述线圈以同步方式输出，或者，多个所述线圈分为若干个组合，每个组合内的各所述线圈以同步或差频方式输出。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述线圈部件具体包括五个线圈，五个线圈分别对应大脑的两侧颞叶、额叶、顶叶和枕叶的位置；或者，所述线圈部件具体包括四个线圈，四个线圈分别对应大脑的两侧颞叶、顶叶和枕叶的位置。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述线圈部件具体包括三个线圈，三个线圈分别对应大脑的两侧颞叶和枕叶位置，或者分别对应大脑的两侧颞叶和顶叶位置，或者分别对应大脑的两侧颞叶和额叶位置。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述线圈部件具体包括两个线圈，两个线圈分别对应大脑左右两侧位置，或者枕叶和顶叶位置。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变电流的波形为梯形波或正弦波或三角形波，所述时变磁场为一种波形或者两种以上波形的组合。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述线圈部件产生的所述时变磁场的波形存在上升沿和/或下降沿。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变磁场的波形存在上升沿和下降沿，所述上升沿和所述下降沿之间具有平台段。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述平台段对应的时间长度趋于零。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述节律性簇状发放的串列具体为delta节律串列，或者theta节律串列，或者alpha节律串列，或者beta节律串列，或者gamma节律串列。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变电流的频率具体为2000～20000Hz。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变电流的频率为10000Hz。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变电流的频率为20000Hz。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变电流的波形为单极性或双极性。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述电源为所述控制电路提供电压为60V以下的直流电。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述电源为所述控制电路提供电压为12～24V的直流电。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变磁场的峰值强度在所述作用区域大于0.5Gs小于100Gs，且其时间变化率dB/dt在所述作用区域小于35T/s。
如上所述的中枢神经磁刺激装置，所述时变磁场的峰值强度在所述作用区域大于5Gs小于20Gs。
本发明提供的中枢神经磁刺激装置，通过控制电路输出时变电流至线圈部件，以使线圈部件产生时变磁场，其中，时变磁场所在的区域与头部尺寸相适配，从而能够在整个头部区域形成磁场强度均匀的磁场，进而对大脑整体产生较好的磁刺激效果，同时，时变电流以2000Hz以上的频率输出，并以设定占空比构成节律性串列，这样设计后，可以采用相对较小的峰值电流和较弱的峰值磁场强度来达到同样甚至更好的生物学效果，用于制作保健或医疗器械以更好地提升脑健康或治疗脑疾病、并以降低产品运行时的噪音，使用户有较佳的体验。
适当参数的磁刺激能够改善脑功能，以往的磁刺激装置大都将磁场聚焦于大脑某个位置，以高强磁场诱发神经细胞动作电位发放的方式，实现脑疾病的诊断和治疗的目的。然而，综合分析最新的科学研究成果提示我们：高频和节律性簇状发放的弱强度和可达深脑的磁刺激有望更好地解决神经科学难题。比如，很多中枢神经系统功能障碍或疾病，例如失眠或阿尔茨海默病，可能与抑制性神经细胞或抑制性神经环路的功能低下有关。因此，选择性提升抑制性神经系统功能可能有助于改善脑功能，而可达深脑的弱强度高频节律性簇状发放的电磁刺激有望实现选择性提升抑制性神经细胞或抑制性神经环路功能的目的，从而更有效、更少副作用、更容易工业实现并提升用户体验。
附图说明
图1为本发明所提供的中枢神经磁刺激装置的一种具体实施例的结构框图；
图2为具体实施例中线圈部件为三线圈结构时线圈的分布简示图；
图3为具体实施例中线圈部件为两线圈结构时线圈的分布简示图；
图4为具体实施例中电流或感生磁场及其对应的感生电场的波形示意图；
图5为具体实施例中gamma节律簇状发放的磁感生电场的波形示意图。
图1-3中：
控制电路101，电源102，线圈部件103，线圈131。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种中枢神经磁刺激装置，该中枢神经磁刺激装置能够对大脑施加磁场强度分布近似均匀而可达深脑的弱强度高频节律性簇状发放的磁刺激，达到更好的生物学效果，并减少噪音以提高用户体验。
适当参数的磁刺激能够改善脑功能，为此，本发明提供一种中枢神经磁刺激装置，以期能够获得更好的生物学效果。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本发明所提供的中枢神经磁刺激装置的一种具体实施例的结构框图。
如图所示，该中枢神经磁刺激装置包括电源102、控制电路101和线圈部件103；其中，控制电路101包括主控芯片和主电路，电源102用于为控制电路101供电，控制电路101能够输出时变电流至线圈部件103，以在目标区域内产生相应的时变磁场。
该实施例中，目标区域，也就是线圈部件103感生的磁场强度分布近似均匀的时变磁场的作用区域与人体头部尺寸相匹配，并且，控制电路101输出到线圈部件103的时变电流为2000Hz以上的频率，且以设定占空比构成节律性簇状发放的串列。
其中，节律性簇状发放是指一种电流波形一段时间的连续输出和一段时间的连续没有输出相互交替出现构成节律，其中，将一段时间的连续输出定义为占，一段时间的连续没有输出定义为空。
具体地，占和空的具体数值，或者说占空比的具体数值可经过基础与临床研究后确定，预设于控制电路101的主控芯片内，或以无线通信的方式赋值，也可由实际使用者根据使用需求来设计或选择。
实际设计时，时变电流的频率可以在2000～20000Hz范围内选取，时变电流的频率具体可选用10000Hz或20000Hz。
如上，该中枢神经磁刺激装置能够在整个头部区域形成磁场强度近似均匀的磁场，可以作用到大脑深部，同时，时变电流以2000Hz以上的频率输出，并以设定占空比构成节律性簇状发放的串列，这样设计后，可以采用相对较小的峰值电流和较弱的峰值磁场强度来达到同样甚至更好的生物学治疗效果，而相对较小的弱电流和弱磁场能够降低产品运行时的噪音，同时也可有利于将产品小型化设计，甚至便于携带，成本也可更低廉，使用户有较佳的体验。
其中，控制电路101可以输出一个固定周期且波形精确的时变电流到线圈部件103，相应地，产生一个周期的波形精确的时变磁场，并且，通过设计一种波形的输出和停止的周期个数，以构成簇状发放的节律性磁刺激串列，串列形式的磁刺激可以间断进行，例如每运行2秒钟后间停8秒钟。其中，节律性簇状发放的串列的节律可通过占空比的不同设定来实现，具体根据健康保健或医疗的需求来设定，以获得更好的生物学效果。
其中，节律性簇状发放的串列的节律可以为delta节律(一般小于3Hz)，或者theta节律(一般指4～8Hz)，或者alpha节律(一般指8～12Hz)，或者beta节律(一般指20Hz左右)，或者gamma节律，一般包括低频段gamma节律(一般指30～60Hz)和高频段gamma节律(一般指60～120Hz)。
具体的方案中，控制电路101包括主控芯片和主电路；其中，主电路主要由全控型半导体器件及其外围电路构成，对线圈部件103输出脉宽调制电压以使线圈部件103输出所设计波形的电流并感生磁场。
控制电路101还可以包括数据接口接收运行指令，该数据接口一般包括无线通信芯片或模块。中枢神经磁刺激装置的实际运行可以依据主控芯片中预设置的运行参数运行或根据数据接口接收到的指令运行。
控制电路101与线圈部件103相连，控制电路101能够输出时变电流激励线圈部件103，从而产生时变磁场。
电源102用于为控制电路101供电，电源102具体可以为电源适配器或使可充电电池组，具体地，电源102给控制电路101的供电电压为60V以下的直流电压，以提高产品的电器安全性。比如，供电电压具体为12～24V。
具体的方案中，线圈部件103包括多个线圈，各线圈的输出参数相互独立，这里的输出参数包括时变电流的峰值大小、频率节律、波形和相位等内容。
线圈部件103的排布设计应当使得其能够产生与大脑尺寸相匹配的目标区域内强度分布近似均匀的时变磁场。
其中，线圈部件103的排布设计包括线圈的个数，线圈的形状、匝数、尺寸及各线圈的位置设置及相互之间的间距等。比如说，线圈可以设计为圆形、椭圆形、正方形或矩形，其磁通面积比较大，比如50平方厘米以上，以使大脑整体接收的磁场强度梯度尽量小。
线圈部件103包括多个线圈时，可以控制各线圈以同步方式输出，也就是说，各线圈输出时变电流产生的时变磁场有相同的频率和相位。
实际中，也可根据需要将线圈部件103的多个线圈分为若干个组合，每个组合内的各线圈以同步或差频方式输出。
具体地，可根据使用者的状态来确定不同的线圈组合方式，及线圈组合的运行顺序，或者可以根据不同的时间段来确定不同的线圈组合方式，以实现不同的磁刺激方式。
需要指出的是，由于各线圈组合并不同步运行，所以，根据使用需求，线圈组合内的线圈可以有重合的部分，以三个线圈为例说明，可以将第一线圈和第二线圈作为一个线圈组合，将第二线圈和第三线圈作为另一个线圈组合，工作时，可以先使第一线圈和第二线圈的组合输出，再使第二线圈和第三线圈的组合输出，当然，反过来亦可，这根据使用需求来确定。还需要说明的是，还可以将第一线圈和第三线圈作为一个线圈组合。
还需要说明的是，实际设计产品时，线圈部件103也可以只设计成一个大尺寸线圈，该线圈的尺寸与脑部整体尺寸相匹配，比如说可以设计为直径10cm以上的圆形线圈，以使大脑整体接收的磁场强度近似均匀。
具体的方案中，线圈部件103包括五个线圈，五个线圈分别对应大脑的两侧颞叶、额叶、顶叶和枕叶的位置。
具体使用时，可以将五个线圈组成不同的线圈组合形式，为实现作用于全脑域的目的，在一次完整使用过程中，可以依次运行不同的组合。
具体的方案中，线圈部件103也可只包括三个线圈131，具体排布时，将三个线圈分别对应大脑的两侧颞叶和枕叶位置，或者分别对应大脑的两侧颞叶和顶叶位置，或者分别对应大脑的两侧颞叶和额叶位置，参考图2理解，图2为三个线圈131布置于大脑的两侧颞叶和额叶位置的简要示意图。
同样地，在治疗时，将三个线圈组合不同的线圈组合形式，根据治疗需要顺次运行不同的组合。
具体的方案中，线圈部件103还可只包括两个线圈131，具体排布时，将两个线圈分别对应大脑左右两侧位置，如图3所示，或者分别对应枕叶和顶叶位置。具体的方案中，控制电路101输出的时变电流的波形可以为梯形波，或者正弦波，或者三角形波，控制线圈部件103最终产生的时变磁场的波形可以为一种波形或者两种波形的组合，具体根据需要来确定。
具体的方案中，线圈部件103产生的时变磁场的波形存在上升沿和/或下降沿，其中，波形的上升沿可以为直线形式，该直线的斜率可以通过产品的电源电压和线圈参数的匹配来确定，当然，电压相对较低而线圈电感量较大时，波形的上升沿也可以为曲线；相应地，波形的下降沿也可以为直线或曲线。
当线圈部件103产生的时变磁场的波形既存在上升沿又存在下降沿时，在上升沿和下降沿之间还具有平台段，该平台段的持续时长可以根据需求设定，比如该平台段对应的时长可以趋近于零。
另外，控制电路101输出的时变电流的波形还可以根据需要为单极性或双极性。
具体的方案中，时变磁场的峰值强度在其目标区域也就是作用区域的范围为大于0.5Gs小于100Gs，且其时间变化率dB/dt在该作用区域小于35T/s。
更具体地，时变磁场的峰值强度在作用区域内的范围为大于5Gs小于20Gs。
请参考图4，图4为具体实施例中电流或感生磁场及其对应的感生电场的波形示意图。
图示中，位于上方的波形示意为电流或感生磁场的波形，图中示例性地表示了波形为三角波的形式，其中，感生电场的周期为100μs，频率为10000Hz。
请参考图5，图5为具体实施例中gamma节律簇状发放的磁感生电场的波形示意图。
图示中，100μs周期的时变电流输出6ms，停19ms，输出40Hz节律性簇状发放的磁刺激。
具体运行时还可以设计为间歇性簇状发放的节律性刺激，例如这种节律性簇状发放的输出每10秒中运行2秒停歇8秒(间歇性部分未在图示中标示)。
以上对本发明所提供的中枢神经磁刺激装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (20)

1.中枢神经磁刺激装置，包括电源(102)、控制电路(101)和线圈部件(103)，所述控制电路(101)包括主控芯片和主电路，所述电源(102)为所述控制电路(101)供电，所述控制电路(101)输出时变电流至所述线圈部件(103)，以产生相应的时变磁场；其特征在于，所述时变磁场的作用区域与人体头部尺寸相匹配，所述时变电流以2000Hz以上的频率输出，且以设定占空比构成节律性簇状发放的串列。
2.根据权利要求1所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述线圈部件(103)包括多个线圈，各所述线圈的输出相互独立。
3.根据权利要求2所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，各所述线圈以同步方式输出，或者，多个所述线圈分为若干个组合，每个组合内的各所述线圈以同步或差频方式输出。
4.根据权利要求3所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述线圈部件(103)具体包括五个线圈，五个线圈分别对应大脑的两侧颞叶、额叶、顶叶和枕叶的位置；或者，所述线圈部件(103)具体包括四个线圈，四个线圈分别对应大脑的两侧颞叶、顶叶和枕叶的位置。
5.根据权利要求3所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述线圈部件(103)具体包括三个线圈，三个线圈分别对应大脑的两侧颞叶和枕叶位置，或者分别对应大脑的两侧颞叶和顶叶位置，或者分别对应大脑的两侧颞叶和额叶位置。
6.根据权利要求3所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述线圈部件(103)具体包括两个线圈，两个线圈分别对应大脑左右两侧位置，或者枕叶和顶叶位置。
7.根据权利要求2所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变电流的波形为梯形波或正弦波或三角形波，所述时变磁场为一种波形或者两种以上波形的组合。
8.根据权利要求1所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述线圈部件(103)产生的所述时变磁场的波形存在上升沿和/或下降沿。
9.根据权利要求8所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变磁场的波形存在上升沿和下降沿，所述上升沿和所述下降沿之间具有平台段。
10.根据权利要求9所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述平台段对应的时间长度趋于零。
11.根据权利要求1-10任一项所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述节律性簇状发放的串列具体为delta节律串列，或者theta节律串列，或者alpha节律串列，或者beta节律串列，或者gamma节律串列。
12.根据权利要求1-10任一项所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变电流的频率具体为2000～20000Hz。
13.根据权利要求12所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变电流的频率为10000Hz。
14.根据权利要求12所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变电流的频率为20000Hz。
15.根据权利要求1-10任一项所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变电流的波形为单极性或双极性。
16.根据权利要求1-10任一项所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述电源(102)为所述控制电路(101)提供电压为60V以下的直流电。
17.根据权利要求16所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述电源(102)为所述控制电路(101)提供电压为12～36V的直流电。
18.根据权利要求16所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述电源(102)为所述控制电路(101)提供电压为24V的直流电。
19.根据权利要求1-10任一项所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变磁场的峰值强度在所述作用区域大于0.5Gs小于100Gs，且其时间变化率dB/dt在所述作用区域小于35T/s。
20.根据权利要求19所述的中枢神经磁刺激装置，其特征在于，所述时变磁场的峰值强度在所述作用区域大于5Gs小于20Gs。
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