CN110384851A - 基于vr-tms技术的同步多模治疗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于康复训练及治疗设备技术领域，具体涉及一种基于VR‑TMS技术的同步多模治疗系统。本发明提供的同步多模治疗系统包括VR装置、TMS装置、监测装置和控制装置，利用VR装置结合情景设置的沉浸式体验，施加视听觉刺激，调节神经活动态，结合控制装置，获取神经活动信息，通过控制装置灵活控制选择时间节点，激活TMS装置以进行虚拟现实与经颅磁刺激两种模式同步治疗。基于神经可塑性原理，该同步多模系统集成两种模式——VR‑TMS对抑郁症特定脑区进行刺激，提高神经可塑性，综合两种模式干预和累积效应，提高对功能性和器质性精神病变的治疗效果。
Description
技术领域
本发明属于康复训练及治疗设备技术领域，具体涉及一种基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统。
背景技术
近些年来，虚拟现实(virtual reality，VR)技术迅速发展，该技术拥有多种感知觉(视觉、触觉、运动觉等)相互作用的3D体验界面，通过计算机产生一个类似现实的环境，沉浸其中即有一种“身临其境”的感觉，因此，基于该技术的沉浸式心理治疗成为恐惧症、孤独症、抑郁症等精神疾病治疗中的热门发展领域。该治疗方式相对于传统的心理治疗具有能够保护患者隐私、环境控制力高、节省时间和费用的优势，在精神疾病治疗中应用潜力巨大。
经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS)技术是利用物理手段施加电磁场脉冲波给予特定的脑区有规律的刺激以达到恢复或/和治疗目的。该治疗方式具有无痛、非创伤的物理特性，能够有效改善精神状况症状，因此在临床精神病领域、神经疾病领域以及康复领域获得越来越多的认可。
近些年来对于国内外现代社会上高发的功能性、器质性精神病变，上述虚拟现实技术、经颅磁刺激技术相对于药物治疗、电刺激疗法等具有安全无创、效果显著的优势。但是基于上述技术的治疗方式较为单一，对脑部神经可塑性差，对功能性和器质性精神病变的治疗效果还不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有的康复训练设备功能单一、对精神病变的治疗效果不够理想的缺陷，从而提供一种基于虚拟现实技术和经颅磁刺激技术同步多模刺激以能够实现高效率神经重塑的康复训练系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，包括：
VR装置，用于为患者提供认知行为干预并使患者产生第一生理信号，包括屏蔽器；
TMS装置，用于为患者提供磁刺激并使患者产生第二生理信号；
监测装置，用于接收所述第一生理信号和所述第二生理信号；
控制装置，分别与所述VR装置、所述TMS装置、所述监测装置相连接，用于将所述认知行为干预以及所述磁刺激对患者进行同步交互作用以实现患者神经的重塑，并通过比对所述第一生理信号和所述第二生理信号以分别对所述认知行为干预和所述磁刺激进行调节。
优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述VR装置包括用于干预患者视听觉的音像产生器以及连接所述音像产生器的投射电路。
优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述TMS装置包括磁刺激发生器、控制器和脉冲电源。
进一步优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述磁刺激发生器包括线圈，所述线圈的呈阵列型、8字型、圆形、蝶型中的一种。
进一步优选地，该基于VR-TMS装置的同步多模治疗系统，所述TMS装置还包括磁场动态检测器和温度检测器。
优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述监测装置包括皮电感受器、手动感受器和眼动感受器。
优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述控制装置包括上位机设备和底层控制设备，所述底层控制设备包括集成控制硬件单元和集成控制软件单元。
进一步优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述集成控制硬件单元具有数据通信接口，并按星形结构实现所述VR装置、所述TMS装置与所述监测装置的互联互通，并对所述第一生理信号和所述第二生理信号进行结构化存储和管理。
进一步优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述集成控制软件单元具备干预/刺激任务模块、生理信号投送模块和结果分析模块。
进一步优选地，该基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，所述集成控制软件单元通过内部算法优化以及用户主动控制模式，根据所述第一生理信号和所述第二生理信号及所述VR装置、所述TMS装置的动作，给出优化的或基于用户的主动调节控制策略。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提出一种虚拟现实(VR)技术的认知行为干预心理治疗与经颅磁刺激物理疗法相结合的多模治疗系统，利用VR装置结合情景设置的沉浸式体验，施加视听觉刺激，调节神经活动态，结合控制装置，获取神经活动信息，通过控制装置灵活控制选择时间节点，激活TMS装置以进行虚拟现实与经颅磁刺激两种模式同步治疗。基于神经可塑性原理，该同步多模系统集成两种模式——VR-TMS对抑郁症特定脑区进行刺激，提高神经可塑性，综合两种模式干预和累积效应，提高对功能性和器质性精神病变的治疗效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统的情景模拟示意图；
图2为本发明实施例1提供的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统的原理示意图；
图3为本发明实施例1提供的磁场动态检测和输出调节电路；
图4为本发明实施例1提供的脉冲电源框图。
具体实施方式
为了便于理解本发明的目的、技术方案和要点，下面将对本发明的实施方式作进一步详细描述。本发明可以多种不同的形式实施，而不应该被理解为仅限于在此阐述的实施例。相反，提供此实施例，使得本发明将是彻底的和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。
实施例1
本实施例提供一种基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，如图1和图2所示，包括VR装置、TMS装置、监测装置和控制装置。
在该同步多模治疗系统中，VR装置用于为患者提供认知行为干预并使患者产生第一生理信号，包括音像产生器和投射电路；其中，音像产生器用于干预患者视听觉，采用无磁耳机和大视场角的屏幕。由于眼睛和耳朵是人类感官中最重要的器官，大脑中大约有90％以上的知识和记忆都是通过眼睛和耳朵获取的，眼睛和耳朵是用于空间定向、情感交流以及学习的最重要的方式，通过无磁耳机和大视场角的屏幕给患者提供大视场角3D虚拟现实场景，实现虚拟现实环境的视听觉刺激，患者受到干预刺激后会产生第一生理信号。音像产生器与投射电路连接。
TMS装置用于为患者提供磁刺激，包括磁刺激发生器、磁场动态检测器、温度检测器、控制器、脉冲电源和辅助设备。
其中，磁刺激发生器为多种结构的线圈，包括阵列型、8字型、圆形、蝶型等，或其中任意两种的排布，或其中一种，能够覆盖较多的脑区范围，扩大可用的刺激范围，并可选择性激发以适应患者头部差异，患者脑部受到磁刺激发生器提供的磁刺激后产生第二生理信号。磁场动态检测器与磁刺激发生器连接，如图3所示，包括放大器模块、放大电路模块和积分电路模块，磁场动态检测器和温度检测器分别用于检测磁刺激发生器为患者提供的磁刺激强度和温度，提高患者使用的安全性；同时，控制器包括磁刺激功率器件，磁刺激器件能够根据磁场动态检测器检测到的磁场强度对磁刺激强度进行再调节，其动态检测和输出调节电路如图3所示，通过线圈接收磁通变化，产生电压信号经过放大电路传输至上位机设备，在上位机设备中根据电压检测结果和线圈的参数计算磁通变化，从而获取磁场的变化规律并作出相应的调节。电源为脉冲高压电源，包括电压比较模块、充电控制模块、电能储存模块、放电控制模块，该电源与磁刺激发生器连接以使磁刺激发生器产生磁场，如图4所示；辅助设备包括治疗坐椅以及附属支架设备等。
基于神经可塑性原理，利用VR装置结合情景设置的沉浸式体验，施加视听觉刺激，调节神经活动态，并激活TMS装置以进行虚拟现实与经颅磁刺激两种模式同步治疗，该同步多模治疗系统对抑郁症特定脑区进行刺激，提高神经可塑性，综合两种模式干预和累积效应，提高对功能性和器质性精神病变的治疗效果。
由于磁刺激发生器在刺激中会产生特斯拉量级的交变磁场，能会对VR装置的信号产生较大的干扰，故电磁兼容性及噪声消除等设计十分关键。计算线圈在VR装置空间的磁场分布，以及磁场随磁刺激发生器驱动电流变化规律，评估磁场对VR装置的干扰，利用被动屏蔽和主动屏蔽设计，保证VR模块的正常工作。
为解决上述VR装置和TMS装置之间的干扰性问题，在VR装置上设置屏蔽器，以消除磁刺激发生器的线圈产生的变化的电磁场对VR装置内信号传输的影响，提高了同步多模治疗系统信号的准确度，保证了两种模式刺激的效果。而且，VR装置提供的认知行为干预的场景在磁刺激发生器的线圈所限定空间下的大视场角的屏幕来实现，投射电路在磁刺激同步激发态造成的外界强磁环境下的电磁兼容设计，保证了与TMS装置兼容性以及与磁刺激模式之间的精确时序同步性可控。
其中，VR装置中的无磁耳机是采用无磁、不导电的材料替换常用的磁性导电材料，避免受磁场的干扰；同时，将大视场角的屏幕设置磁兼容的小型化显示屏幕，除显示屏幕之外的所有VR装置均放置在安全范围内。
监测装置，用于获取第一生理信号和第二生理信号，包括皮电感受器、手动感受器和眼动感受器。其中，手动感受器采用运动手套等采集虚拟现实环境中手部运动信号，其信号采集采用商用数据采集和控制接口板卡作为接口电路；眼动感受器采用微型摄像头对患者眼睛动作实现图像采集，实现眼动实时追踪。
控制装置，分别与VR装置、TMS装置、监测装置相连接，用于将认知行为干预以及磁刺激对患者进行同步交互作用以实现患者神经的重塑，并通过比对第一生理信号和第二生理信号以对认知行为干预和磁刺激进行分别调节。该控制装置包括上位机设备和底层控制设备，其中，底层控制设备包括集成控制硬件单元和集成控制软件单元。
上位机设备采用通用的PC机作为系统控制平台，手动感受器和眼动感受器测量得到患者的动作信息，实时反馈至该上位机设备。
底层控制设备中，集成控制硬件单元具有数据通信接口，并按星形结构实现分别与VR装置、TMS装置与监测装置的互联互通，并对第一生理信号和第二生理信号进行结构化存储和管理。其中，底层控制设备通过数据通信接口与监测装置相连接，根据监测装置得到的动作信息，传递至上位机设备，便于制定更为合理的行为认知干预方案，即时地更新虚拟现实呈现VR装置中的虚拟环境，从而实现患者与虚拟现实环境之间的相互交互，同时可以利用体征信息分析患者的精神干预情况。
集成控制软件单元具备干预/刺激任务模块、生理信号投送模块和结果分析模块。如图2所示，干预/刺激任务模块能够控制VR装置生成虚拟现实环境，并通过高清视频HDMI接口向大视场角的屏幕传输高清视频刺激信号，通过音频接口向无磁耳机传输高品质的音频刺激信号，同时，控制信号通过数据采集控制接口传输至TMS装置。该集成控制软件单元通过内部算法优化以及用户(医生或患者)主动控制模式，根据第一生理信号和第二生理信号及VR装置、TMS装置的动作，给出优化的或基于用户(医生或患者)的主动调节控制策略。
考虑到该同步多模系统的多功能性和对人机界面较高的要求，采用虚拟仪器设计方法实现对运动控制反馈机构进行控制。合理选用数据采集控制接口卡来接收VR装置、TMS装置和监测装置的多种实时传感器信号，同时接经颅磁刺激同步信号，并传递给集成控制软件单元，以使集成控制软件单元可以实现对VR装置的实时监控和与TMS装置高精度时序同步功能，并实时地更新虚拟现实画面。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，包括：
VR装置，用于为患者提供认知行为干预并使患者产生第一生理信号，包括屏蔽器；
TMS装置，用于为患者提供磁刺激并使患者产生第二生理信号；
监测装置，用于接收所述第一生理信号和所述第二生理信号；
控制装置，分别与所述VR装置、所述TMS装置、所述监测装置相连接，用于将所述认知行为干预以及所述磁刺激对患者进行同步交互作用以实现患者神经的重塑，并通过比对所述第一生理信号和所述第二生理信号以分别对所述认知行为干预和所述磁刺激进行调节。
2.根据权利要求1所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述VR装置包括用于干预患者视听觉的音像产生器以及连接所述音像产生器的投射电路。
3.根据权利要求1或2所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述TMS装置包括磁刺激发生器、控制器和脉冲电源。
4.根据权利要求3所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述磁刺激发生器包括线圈，所述线圈呈阵列型、8字型、圆形、蝶型中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于VR-TMS装置的同步多模治疗系统，其特征在于，所述TMS装置还包括磁场动态检测器和温度检测器。
6.根据权利要求1或2所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述监测装置包括皮电感受器、手动感受器和眼动感受器。
7.根据权利要求1或2所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述控制装置包括上位机设备和底层控制设备，所述底层控制设备包括集成控制硬件单元和集成控制软件单元。
8.根据权利要求7所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述集成控制硬件单元具有数据通信接口，并按星形结构实现所述VR装置、所述TMS装置与所述监测装置的互联互通，并对所述第一生理信号和所述第二生理信号进行结构化存储和管理。
9.根据权利要求7所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述集成控制软件单元具备干预/刺激任务模块、生理信号投送模块和结果分析模块。
10.根据权利要求7所述的基于VR-TMS技术的同步多模治疗系统，其特征在于，所述集成控制软件单元通过内部算法优化以及用户主动控制模式，根据所述第一生理信号和所述第二生理信号及所述VR装置、所述TMS装置的动作，给出优化的或基于用户的主动调节控制策略。
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