CN110585593A - 一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备，包括脑电采集模块、上位机处理模块、经颅电刺激模块和迷走神经刺激模块；八通道脑电信号经过滤波放大和模数转换后传送至上位机端进行数据处理；上位机处理模块对采集到的脑电信号进行实时处理；上位机产生四路刺激信号，通过模拟电路进行数模转换和放大后输出；迷走神经刺激模块接收到上位机命令后对人体施加双侧耳部迷走神经刺激。该刺激设备有两种模式，经颅电刺激和迷走神经刺激，采集睡眠过程中的脑电信号，刺激设备增加了粉红噪声发生器模块，有效的促进了睡眠效果。
Description
技术领域：
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备。
背景技术：
目前国内外市场上的电刺激设备主要有经颅电刺激设备、经皮神经电刺激设备、脑深部电刺激设备和迷走神经刺激设备等，主要是用电流对机体进行刺激，用于康复治疗、缓解疼痛、疾病治疗以及临床医学心理研究等领域。
国内外的经颅电刺激设备种类繁多，其中，以经颅直流电刺激和经颅交流电刺激为主。两种类型刺激设备基本上均以±9～±40V、± 500μA～±4500μA为最大输出，设备以恒流源的形式供电，并提供多种模式的波形选择。设备均设有阴极、阳极贴片，并通过贴片电极作用于人体的治疗部位，治疗过程中，电流从阳极经治疗部位流入阴极，虽然注入电流微小，但在皮肤上往往会产生刺痛、瘙痒感，如若注入电流参数控制不得当，高强度电流甚至会灼伤皮肤，所以，为了保证电刺激的安全性，在刺激过程中需实时检测。
中国专利(申请号：201810910152.3申请日：2018-08-10)公开了一种非侵入式闭环经颅电刺激装置，装置包括电极帽、前置放大器、主机和上位机；电极帽佩带于使用者头部，包含多个盘状电极，用于脑电信号的采集和电刺激的施加；前置放大器通过线缆与电极帽相连，包含多个选择开关和多个放大器，用于各电极采集和刺激功能的切换和脑电信号的前置放大；主机通过线缆与前置放大器相连，用于脑电信号的采集、实时运算、传输和经颅电刺激信号的发生；上位机与主机无线连接，用于接收主机记录到的多通道脑电信号并进行信号的显示与记录；或者向主机下载信号实时分析算法和闭环控制策略。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备，该刺激设备有两种模式，经颅电刺激和迷走神经刺激，采集睡眠过程中的脑电信号，刺激设备增加了粉红噪声发生器模块，有效的促进了睡眠效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备，包括脑电采集模块、上位机处理模块、经颅电刺激模块和迷走神经刺激模块；脑电采集模块由预处理电路和高精度模数转换芯片ADS1299组成，预处理电路包括高低通滤波电路和工频陷波电路，八通道脑电信号经过滤波放大和模数转换后传送至上位机端进行数据处理；上位机处理模块对采集到的脑电信号进行实时处理；经颅电刺激模块包括ARM控制单元、FPGA波形发生单元和模拟电路，上位机命令经由ARM控制单元发送给FPGA波形发生单元产生四路刺激信号，通过模拟电路进行数模转换和放大后输出；迷走神经刺激模块由信号发生单元和升压电路组成，接收到上位机命令后对人体施加双侧耳部迷走神经刺激。
所述脑电采集模块由转接电路、预处理电路、模数转换芯片 ADS1299和微控制单元组成，预处理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路和工频陷波电路，脑电信号经过滤波放大预处理后，进入 ADS1299完成信号的模数转换，得到高分辨率的数字信号，然后数字信号通过ADS1299的串行外设接口传送到微控制单元，微控制单元将数据通过通用串行总线传送至上位机。
所述经颅电刺激模块主要包括三个单元：ARM控制单元、现场可编程逻辑门阵列波形发生单元、模拟电路单元；模拟电路包括有以下几个部分：数模转化电路，放大滤波电路、电流检测电路以及电源电路。
所述迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元以及电源管理单元；信号传输单元包括控制按键，用于设置刺激的脉宽和频率参数；波形产生及电流控制单元产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，由两路PWM波形来控制；电源管理模块包括隔离电源、DC-DC升压模块，用可调电阻来分压，调整输出的电压。
还包括粉红噪声发生器模块，粉红噪声发生器模块包括主控单元和音频单元，主控单元产生粉红噪声数据经过音频单元转换为音频信号后通过耳机输出。
所述经颅电刺激模块设置了电流检测电路来避免输出电流过高，电流检测电路采用INA286双向分流检测器；在信号的输出过程中，首先使用了一个5Ω的电阻来实现差模采样；参考电压为2.5V，差分放大100倍，得到±2.5mA之间的测量电流，随后，利用模数转换器ADS7814进行模拟信号到数字信号的转换过程；FPGA采集数字信号传递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并输出稳定电流。
所述迷走神经刺激模块的电路框架包括电源保护电路、隔离电源电路、MCU主控模块、DC-DC升压电路和输出电路；MCU主控模块产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，由两路脉冲宽度调制波形来控制，输出电路用可调电阻来分压，调整输出的电压；迷走神经刺激模块采用5V的直流稳压电源供电，采用贴片自恢复保险丝 SMD1812P050TF来保证电源输入的安全。
所述迷走神经刺激模块有一个稳定的电源设备来进行稳定供电过程，以5V的直流稳压电源进行供电，而3.3V电压的实现依赖于电源管理芯片MP2451来进行降压，并实现对于主控芯片的供电，这两种供电电压依靠隔离电源电路来完成.
所述迷走神经刺激电路为恒流设定，刺激档位大小由不同电压来表示，用可调电阻用来分压，调整输出的电压，输出档位电压在9V-30V 之间可调，所以将5V电源电压通过DC-DC升压电路升至9V，然后通过变压器升至最高30V；通过电流控制电路来确保恒流输出，恒流源电路由两个运算放大器组成，MCU控制两路PWM信号来产生刺激所需要的脉冲波形。
本发明的有益效果在于：
该刺激设备有两种模式，经颅电刺激和迷走神经刺激，采集睡眠过程中的脑电信号，刺激设备增加了粉红噪声发生器模块，有效的促进了睡眠效果。
附图说明：
图1为经颅电刺激模块结构示意图；
图2为模拟电路电路图；
图3为TLV5614数模转换电路图；
图4为放大滤波电路图；
图5为电流检测电路图；
图6为模拟电路系统原理图；
图7为迷走神经刺激模块的电路框架图；
图8为电源输入保护电路原理图；
图9为隔离电源电路原理图；
图10为DC-DC升压电路原理图；
图11为电流控制电路原理图；
图12为Block设计图；
图13是五个脑区中四个实验组的激活强度图；图13-1是右侧旁扣带回脑区激活强度图；图13-2是左侧丘脑脑区激活强度图；图13-3 是左侧苍白质脑区激活强度图；图13-4是右侧丘脑脑区激活强度图；图13-5是右侧壳核脑区激活强度图；
其中纵坐标为激活强度，横坐标为对应的组分别为：tDCS+tVNS， tDCS+tVNS假刺激，tDCS假刺激+tVNS，tDCS假刺激+tVNS假刺激。图中的值为均值±标准差。图中的英文缩写分别对应于：PGR：右侧旁扣带回，LTL：左侧丘脑，LPaL：左侧苍白质，RTR：右侧丘脑，RPuR：右侧壳核。
图14为多模式记忆巩固刺激设备结构框图；
图15为ADS1299内部原理框图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图14一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备，包括脑电采集模块、上位机处理模块、经颅电刺激模块和迷走神经刺激模块；脑电采集模块由预处理电路和高精度模数转换芯片ADS1299 组成，预处理电路包括高低通滤波电路和工频陷波电路，八通道脑电信号经过滤波放大和模数转换后传送至上位机端进行数据处理；上位机处理模块对采集到的脑电信号进行实时处理；经颅电刺激模块包括 ARM控制单元、FPGA波形发生单元和模拟电路，上位机命令经由 ARM控制单元发送给FPGA波形发生单元产生四路刺激信号，通过模拟电路进行数模转换和放大后输出；迷走神经刺激模块由信号发生单元和升压电路组成，接收到上位机命令后对人体施加双侧耳部迷走神经刺激。
所述脑电采集模块由转接电路、预处理电路、模数转换芯片 ADS1299和微控制单元组成，预处理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路和工频陷波电路，脑电信号经过滤波放大预处理后，进入 ADS1299完成信号的模数转换，得到高分辨率的数字信号，然后数字信号通过ADS1299的串行外设接口传送到微控制单元，微控制单元将数据通过通用串行总线传送至上位机。
所述经颅电刺激模块主要包括三个单元：ARM控制单元、现场可编程逻辑门阵列波形发生单元、模拟电路单元；模拟电路包括有以下几个部分：数模转化电路，放大滤波电路、电流检测电路以及电源电路。
所述迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元以及电源管理单元；信号传输单元包括控制按键，用于设置刺激的脉宽和频率参数；波形产生及电流控制单元产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，由两路PWM波形来控制；电源管理模块包括隔离电源、DC-DC升压模块，用可调电阻来分压，调整输出的电压。
还包括粉红噪声发生器模块，粉红噪声发生器模块包括主控单元和音频单元，主控单元产生粉红噪声数据经过音频单元转换为音频信号后通过耳机输出。
如图15，美国TI公司推出的专用于生物电势测量的模数转换芯片ADS1299，该芯片是一款低噪声，8通道，24位的高精度、高输入阻抗、高共模抑制比、低功耗的同步采样、模/数转换芯片，其主要特征有：
1)具有8个低噪声可编程增益放大器和8个高分辨率同步采样模/数转换器；
2)输入参考噪声：1μVPP；
3)输入偏置电流：300pA；
4)数据速率：250SPS至16kSPS之间；
5)共模抑制比(CMRR)：-110dB；
6)可编程增益，有1、2、4、6、8、12和24倍可选；
7)单极或双极电源，模拟电源为4.75V至5.25V之间，数字电源为1.8V至3.6V之间；
8)内置偏置驱动放大器，导联检测，测试信号；
9)灵活的掉电，待机模式；
10)引脚与ADS129x兼容，方便进行扩展；
11)SPI兼容串行接口。
如图1和图2所示，经颅电刺激模块是将直流电或者交流电施加于人体头部，通过电流来改变大脑神经元的活动，从而调节机体病理的过程，所以该模块首先要求非常高的安全性，其电流大小波形参数等要能够实时调节，确保不会危害人体安全，根据目前国内外的研究，经颅电刺激通常电流大小最高为2mA，所以本模块也将2mA作为一个标准，输出电流最大值不能超过2mA；同时本模块是将经颅直流电刺激和经颅交流电刺激结合在一起，要求经颅直流电刺激模式下输出恒流刺激，经颅交流电刺激模式下，要求输出不同种类的波形，分别为正弦波、方波、三角波和随机噪声波形，并且正弦波、方波、三角波的频率和幅值能够在上位机实时调节，为不同的输出要求提供条件；最后本模块设计产生四通道经颅电刺激，并且每个通道之间输出波形和幅值等参数相同，具体技术指标参数如下：通道数为4通道，电流小于等于2mA，波形种类为5种，波形幅值0-12V，频率为1-100Hz。
经颅电刺激模块由ARM控制单元、FPGA波形发生单元和模拟电路组成，由于分别采用ARM开发板和FPGA开发板会造成体积过大且不方便调试操作，因此本模块选用iCore3ARM+FPGA双核心板，该开发板将ARM芯片和FPGA芯片集成到一个电路板上，ARM芯片采用STM32F407IGT6，其搭载168MHz主频Cortex-M4内核，性能卓越，满足本模块的性能要求，FPGA芯片采用256脚Cyclone四代 EP4CE10F17C8N，其功耗低，性能高，满足本模块波形发生的需求，两块芯片之间通过可变静态存储控制器 (flexiblestaticmemorycontroller，FSMC)连接，进行数据传输、命令发送等操作，最高传输速度可达40M/s，ARM芯片通过SWD接口连接DAP仿真器进行程序下载，FPGA芯片通过JTAG口与USBBlaster 连接进行程序下载。
模拟电路包括有以下几个电路模块：数模转换电路，放大电路，滤波电路、电流检测电路以及电源电路，如图2所示。
数摸转换电路选用TI公司的高性能数模转换芯片TLV5614，其是一款四通道DAC，12位精度，串行输入的数模转换芯片，该芯片第 2引脚到第7引脚为输入控制引脚，首先将第6引脚CS设置为低，然后第7引脚FS的下降沿开始逐位移动波形数据至第5引脚SCLK时钟信号下降沿的内部寄存器，当传输16位数据或者FS引脚信号的上升沿时，寄存器的数据被移动到数模转换芯片TLV5614的内部锁存器，从而依次完成数据的传输，其第10引脚和15引脚为参考电源输入脚，11到14引脚为模拟信号输出脚，将数模转换后的波形模拟信号输出至下一处理电路。TLV5614数模转换电路如图3所示。
放大滤波电路包括初级放大滤波器和次级放大滤波器，由于前一级的DAC模块的参考电压为2.5V，其输出电压范围为0到5V，信号幅度较小，故先进行一倍的放大，再串联一个4阶低通滤波器，去除高频噪声，最后经过一个反向比例放大器将信号放大到需要的幅度大小。本模块选用了两个反向比例放大器对DAC输出的模拟信号进行放大，由于DAC输出的信号带有2.5V的直流电压，故需要在运放正向输入端加上二分之一的DAC输入电压，通过减法器减去直流部分。后级的放大器部分是一个增益可变的反向比例放大器，通过滑动变阻器调节增益，范围为-10到0倍。本模块选用的滤波器是两个串联的二阶低通滤波器，其滤波器的拓扑结构为Sallen-key有源低通滤波器。由于DAC采样频率为1kHz，所以设计滤波器截止频率为500Hz，通道增益为1，阻带增益为-40dB。放大滤波电路如图4所示。
由于本模块直接作用于人体头部，需要输出稳定电流在1～2mA，但是FPGA输出的为电压信号不能直接控制电流，需要采集信号电流构成反馈进行电流调节并保证电流的稳定。
电流检测芯片主要完成电流与电压之间的转换，为了实现这一功能，本专利使用了INA286双向分流检测器。在信号的输出过程中，首先使用了一个5Ω的电阻来实现差模采样。参考电压为2.5V，差分放大100倍，通过这一方式，可得到±2.5mA之间的测量电流，随后，利用模数转换器ADS7814进行模拟信号到数字信号的转换过程。FPGA 采集数字信号传递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并输出稳定电流。电流检测电路如图5所示。
模拟电路系统供电为正负12V电压，由学生电源提供。由于数模模数转化电路需要稳定的基准电压，如DAC需要2.5V参考电压，-2.5V 电压需要给运放去除DAC带来的直流电压。
首先5V的数字电压可以由lm7805线性稳压块产生，电路原理如图6所示。由lm385-2.5稳压二极管产生2.5V电压，通过一个由运放构成的跟随器输出稳定电压，再通过1比1的反向比例放大器产生-2.5V的基准电压，电路原理如图6。
迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元以及电源管理单元。信号传输单元包括控制按键，主要用于设置刺激的脉宽和频率参数；波形产生及电流控制单元产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，主要由两路PWM波形来控制；电源管理模块包括隔离电源、DC-DC升压模块，用可调电阻来分压，调整输出的电压。
(一)电路框架
本专利迷走神经刺激模块的电路框架包括电源保护电路、隔离电源电路、MCU主控模块、DC-DC升压电路和输出电路。MCU主控模块产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，主要由两路脉冲宽度调制波形来控制，输出电路用可调电阻来分压，调整输出的电压。设计方案如下图7所示。
(二)电源保护电路
本专利迷走神经刺激模块采用5V的直流稳压电源供电，采用贴片自恢复保险丝SMD1812P050TF来保证电源输入的安全，电源输入保护电路原理图如下图8所示。
(三)隔离电源电路
迷走神经刺激模块需要有一个稳定的电源设备来进行稳定供电过程，根据系统设计中要求的输出电压(5V、3.3V、9V、30V)，为了防止干扰，电源隔离措施是保证输出信号稳定性的基本要求，本专利的迷走神经刺激模块是以5V的直流稳压电源进行供电，而3.3V电压的实现依赖于电源管理芯片MP2451来进行降压，并实现对于主控芯片的供电。这两种供电电压依靠隔离电源电路来完成。隔离电源电路设计如下图9所示。
(四)DC-DC升压电路
刺激电路为恒流设定，刺激档位大小由不同电压来表示，用可调电阻用来分压，调整输出的电压，输出档位电压在9V～30V之间可调，所以将5V电源电压通过DC-DC升压电路升至9V，然后通过变压器升至最高30V。DC-DC升压电路原理如图10。
(五)电流控制电路
本模块刺激部位为耳颈部迷走神经，需要严格控制输出电流的大小，以确保安全，所以本模块设计电流控制电路来确保恒流输出，恒流源电路由两个运算放大器组成，MCU控制两路PWM信号来产生刺激所需要的脉冲波形，电路原理图如图11所示。
我们设计了四组对照试验：tDCS假刺激+tVNS假刺激组，tDCS 假刺激+tVNS组，tDCS+tVNS假刺激组，tDCS+tVNS组。tDCS电极阳极位于F3，阴极位于右侧眼眶上额头上；tVNS刺激电极位于耳部。我们采集了这四组对照试验电刺激状态下实时的功能磁共振影像数据，我们的电刺激任务试验设计选用经典的Block设计，即假设电刺激状态为ON，静息状态为OFF，我们采用的是66s的OFF接着66s的 ON，如此重复3次，最后再加上一个66s的OFF，总计每组磁共振扫描时间为462s，Block设计如图12。
通过统计分析比较不同试验设计刺激状态，可以得到在右侧旁扣带回、左侧丘脑、左侧苍白质、右侧丘脑、右壳核等多个脑区存在 tDCS+tVNS组的激活效应明显高于tDCS+tVNS假刺激组与tDCS假刺激+tVNS的激活效应之和的结果(如图13)，也就是证实产生了类似“1+1>2”的“超和”效应。
Claims (9)
1.一种基于脑电信号反馈的多模式记忆巩固刺激设备，其特征在于：包括脑电采集模块、上位机处理模块、经颅电刺激模块和迷走神经刺激模块；脑电采集模块由预处理电路和高精度模数转换芯片ADS1299组成，预处理电路包括高低通滤波电路和工频陷波电路，八通道脑电信号经过滤波放大和模数转换后传送至上位机端进行数据处理；上位机处理模块对采集到的脑电信号进行实时处理；经颅电刺激模块包括ARM控制单元、FPGA波形发生单元和模拟电路，上位机命令经由ARM控制单元发送给FPGA波形发生单元产生四路刺激信号，通过模拟电路进行数模转换和放大后输出；迷走神经刺激模块由信号发生单元和升压电路组成，接收到上位机命令后对人体施加双侧耳部迷走神经刺激。
2.如权利要求1所述的多模式记忆巩固刺激设备，其特征在于：所述脑电采集模块由转接电路、预处理电路、模数转换芯片ADS1299和微控制单元组成，预处理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路和工频陷波电路，脑电信号经过滤波放大预处理后，进入ADS1299完成信号的模数转换，得到高分辨率的数字信号，然后数字信号通过ADS1299的串行外设接口传送到微控制单元，微控制单元将数据通过通用串行总线传送至上位机。
3.如权利要求1所述的多模式记忆巩固刺激设备，其特征在于：所述经颅电刺激模块主要包括三个单元：ARM控制单元、现场可编程逻辑门阵列波形发生单元、模拟电路单元；模拟电路包括有以下几个部分：数模转化电路，放大滤波电路、电流检测电路以及电源电路。
4.如权利要求1所述的多模式记忆巩固刺激设备，其特征在于：所述迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元以及电源管理单元；信号传输单元包括控制按键，用于设置刺激的脉宽和频率参数；波形产生及电流控制单元产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，由两路PWM波形来控制；电源管理模块包括隔离电源、DC-DC升压模块，用可调电阻来分压，调整输出的电压。
5.如权利要求1所述的多模式记忆巩固刺激设备，其特征在于：还包括粉红噪声发生器模块，粉红噪声发生器模块包括主控单元和音频单元，主控单元产生粉红噪声数据经过音频单元转换为音频信号后通过耳机输出。
6.如权利要求1所述的多模式记忆巩固刺激设备，其特征在于：所述经颅电刺激模块设置了电流检测电路来避免输出电流过高，电流检测电路采用INA286双向分流检测器；在信号的输出过程中，首先使用了一个5Ω的电阻来实现差模采样；参考电压为2.5V，差分放大100倍，得到±2.5mA之间的测量电流，随后，利用模数转换器ADS7814进行模拟信号到数字信号的转换过程；FPGA采集数字信号传递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并输出稳定电流。
7.如权利要求1所述电刺激装置，其特征在于：所述迷走神经刺激模块的电路框架包括电源保护电路、隔离电源电路、MCU主控模块、DC-DC升压电路和输出电路；MCU主控模块产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，由两路脉冲宽度调制波形来控制，输出电路用可调电阻来分压，调整输出的电压；迷走神经刺激模块采用5V的直流稳压电源供电，采用贴片自恢复保险丝SMD1812P050TF来保证电源输入的安全。
8.如权利要求1所述电刺激装置，其特征在于：所述迷走神经刺激模块有一个稳定的电源设备来进行稳定供电过程，以5V的直流稳压电源进行供电，而3.3V电压的实现依赖于电源管理芯片MP2451来进行降压，并实现对于主控芯片的供电，这两种供电电压依靠隔离电源电路来完成。
9.如权利要求1所述电刺激装置，其特征在于：所述迷走神经刺激电路为恒流设定，刺激档位大小由不同电压来表示，用可调电阻用来分压，调整输出的电压，输出档位电压在9V-30V之间可调，所以将5V电源电压通过DC-DC升压电路升至9V，然后通过变压器升至最高30V；通过电流控制电路来确保恒流输出，恒流源电路由两个运算放大器组成，MCU控制两路PWM信号来产生刺激所需要的脉冲波形。
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