CN110604868A - 基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现ti刺激的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现TI刺激的设备，包括：多个电极组合，作为载体的弹性布帽，起到调节松紧和固定作用固定带，交流电源，计算机，控制器，附着于弹性布帽上的集成电路板，其特征在于，一个电极组合包括一对相干电极，包括四个电极，每个电极组合摆放的具体位置可以根据患者的病灶部位、头部的实际情况进行调整，放置在作为载体的弹性布帽上；每个电极组合的相干区域均覆盖目标刺激靶区、并且不同电极组合相干区域的交集覆盖目标刺激靶区，这个交集覆盖区域面积小于任意一个电极组合相干区域面积。
Description
技术领域
本发明属于神经调控领域——电刺激设备，具体涉及一种实现精确TI刺激的设备。
背景技术
神经调控指在科技和生物工程技术相结合领域内，通过植入性或非植入性技术，采用物理性(如电、磁、声、光等)或化学性作用方式，对神经系统邻近或远隔部位神经元或神经信号转导发挥调节作用，从而达到改善疾病症状，提高生命质量的目的。目前，脑深部电刺激(deep brain stimulus，DBS)和经颅电刺激(transcranial electricalstimulation，TES)是比较常用的、具有代表性的神经调控技术。DBS和TES都是通过低强度微量电流刺激大脑，改变患者大脑异常的脑电波，促使大脑分泌一系列与焦虑、抑郁、失眠等疾病存在密切联系的神经递质和激素，以此实现对这些疾病的治疗，DBS和TES均各有优缺点。DBS通过手术将电极植入大脑，从而具有深度深、靶向性强的优点，但是通过外科手术的方法使得DBS存在潜在感染等风险；TES将电极片置于头皮表面，具有非侵入的优点，但是不能兼顾刺激深度和靶向性问题。基于上述问题，Nir Grossman等人提出了一种新的电刺激的方法(“Noninvasive deep brain stimulation via temporally interferingelectric fields，”Cell，vol.169，pp.1029-1041.e16，2017)，即一种非侵入脑深部电刺激方法，并将这种刺激方法称为时间干涉(Temporal Interference，TI)刺激，简称TI刺激。
TI的基本原理是：由于生物物理属性，每个动作电位产生后会有较长不应期(约1毫秒)，这种不应期会限制神经元的活动，并使它们无法在非常高频率(比如2000HZ)的电刺激下活动，因此将高频(比如2000HZ)电流输入生物体大脑中，神经元并不会被激活；但是将两路略有差频的高频电流(比如F1＝2000Hz，F2＝2010Hz，Δf＝10Hz)同时输入生物体大脑中，会产生一个新的混合电场(F＝(2000+2010)/2＝2005HZ)，该电场会在特定区域产生一个频率等于差频(10Hz)的低频的包络，这个低频包络会对大脑神经元起到调节作用。虽然TI方法理论上可以实现非侵入脑深部电刺激，但是其刺激区域的大小目前还不能实现准确控制。随着TI刺激靶向性加强，其刺激区域范围更小，刺激大脑相应部位准确度也就越高，因此提高TI刺激区域的靶向性具有重要意义。TI刺激原理与目前的干扰电刺激原理相同，目前市面上的干扰电设备普遍存在的问题也是无法精确刺激病变区域。
针对TES靶向性差问题，Mihály等人提出了一种新的策略，该策略的名称为“Spatio-Temporally Rotating Intersectional Short”，并通过实验验证了该策略确实可以提高TES的靶向性，具体可参阅其论文(PulseDirect effects of transcranialelectric stimulation on brain circuits in rats and humans.NatureCommunications，2018，9(1)：483.)。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备。该设备原理是在传统时间累积的基础上，引入空间概念，即加入多刺激位点，进而利用多刺激位点时间、空间旋转相交提高TI刺激靶向性，以使其刺激区域范围更小，刺激大脑相应部位准确度更高。为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现TI刺激的设备，包括：多个电极组合，作为载体的弹性布帽，起到调节松紧和固定作用固定带，交流电源，计算机，控制器，附着于弹性布帽上的集成电路板，其特征在于，一个电极组合包括一对相干电极，包括四个电极，每个电极组合摆放的具体位置可以根据患者的病灶部位、头部的实际情况进行调整，放置在作为载体的弹性布帽上；每个电极组合的相干区域均覆盖目标刺激靶区、并且不同电极组合相干区域的交集覆盖目标刺激靶区，这个交集覆盖区域面积小于任意一个电极组合相干区域面积。
优选的，激励模式采用电极组合时空旋转相交的方法实现目标刺激靶区多次刺激，每对电极都会产生一个电场，每个电极组合的两个电场会有一个聚焦区域，不同电极组合的分别在0.25微秒内产生不完全相同的聚焦区域；同一位置经过多次重合聚焦，进一步增强聚焦性，甚至产生一个聚焦点，即在不同时间段、不同位置的不同电极组合交替循环施加电刺激，达到目标靶区电刺激的叠加，进而进一步提高TI刺激的靶向性。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)该设备具有非侵入性，安全性较高；
(2)该设备在综合现有电刺激设备非侵入优点的同时，从时间、空间维度提高了现有非侵入电刺激设备的刺激靶向性和刺激强度。
附图说明
以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：
图1为本发明设备整体方案图；
图1中标号说明：
1、电极
2、控制器
3、电源
4、集成电路板
5、电脑
6、集成电路板；
图2电极组合位置示意图：
a 电极组合1位置示意
b 电极组合2位置示意
c 电极组合3位置示意
d 补充图示；
图3设备设计组成框图；
图4为本发明的应用示意图；
a 电极组合1聚焦区域示意
b 电极组合2聚焦区域示意
c 电极组合3聚焦区域示意
d 电极组合1、2、3综合聚焦区域效果示意
图5为本发明涉及的基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备电极激励原理示意图；
a-e 单个电极组合刺激原理、方式及区域示意图
f 多个电极组合综合聚焦区域示意图
图6为本发明涉及的基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备电极激励原理仿真建模图；
a-e 单个电极组合刺激原理、方式及区域仿真建模图
f 多个电极组合综合聚焦区域仿真建模图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
下面结合附图及实施例对本发明的基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备加以说明，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。
本发明具体涉及一种基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备，图1是该设备的整体示意图，该设备具体包括，若干Ag/AgCl(银/氯化银)圆片电极组合(本次说明以三个电极组合即六对电极为例)，每个电极直径10mm；作为载体的普通弹性布帽，起到调节松紧和固定作用固定带，交流电源，计算机，控制器，集成电路板，现将设备的作用方式和电极激励模式分别进行阐述：
(1)电极激励模式
一对相干电极称为一个“电极组合”，以图2-1为例，四个电极组成一个电极组合。
激励模式采用电极组合时空旋转相交的方法实现目标刺激靶区多次刺激。每对电极都会产生一个电场，每个电极组合的两个电场会有一个聚焦区域，不同电极组合的分别在0.25微秒内产生聚焦区域；同一位置经过多次重合聚焦，进一步曾强聚焦性，甚至产生一个聚焦点，即在不同时间段、不同位置的不同电极组合交替循环施加电刺激，达到目标靶区电刺激的叠加，进而进一步提高TI刺激方法的靶向性。
具体激励模式如下：如图4d时间与空间结合，即在不同时间段、不同位置的不同电极组合交替循环施加电刺激，实现目标靶区电刺激的叠加。以每个刺激的时间段为0.25微秒为例，如表1，在0-0.25微秒，图4，d中与a中位置一样的电极(电极组合1)施加电刺激；在0.25-0.50微秒，图4，d中与b中位置一样的电极(电极组合2)施加电刺激；在0.50-0.75微秒，图4，d中与c中位置一样的电极(电极组合3)施加电刺激；在0.75-1.00微秒，图4，d中与a中位置一样的电极(电极组合1)施加电刺激；在1.00-1.25微秒，图4，d中与b中位置一样的电极(电极组合2)施加电刺激；在1.25-1.50微秒，图4，d中与c中位置一样的电极(电极组合3)施加电刺激，如此循环，在固定时间段内形成一个周期(包括刺激和休息的时间)。
表1 不同时间段不同位置电极施加电刺激情况
(2)设备的作用方式
实际情况可根据目标刺激靶区位置与区域大小，在作为载体的弹性布帽上进行电极组合的布置。设备的激励部分，主要是放置电极组合的帽子，作用于接受电刺激的载体上，如图4d所示，可以是人类头部。实现刺激的原理为，每个电极组合的相干区域均覆盖目标刺激靶区(以图4b为例，椭圆阴影区域为电极组合的相干区域，线条示意电场分布并不是相干区域)、并且不同电极组合相干区域的交集覆盖目标刺激靶区，这个交集覆盖区域面积小于一个电极组合相干区域面积。以图4为例，a、b、c三图中，三个电极组合的电极位置，分别对应放到图4d中的同样位置，图4d多个阴影重叠区域即为不同电极组合相干区域的交集。
图5、图6为具体建模仿真结果，补充说明“基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备”原理，图5f、图6f是空间、时间综合效果图，图5f是示意图，图6f是仿真模拟图；图5a、b、c、d、e、为排布位置不同的电极组合，在不同时间施加电刺激情况示意图，其中枣核型曲线为对应的TI刺激作用区域；图6a、b、c、d、e、为排布位置不同的单个电极组合在不同时间施加电刺激情况仿真模拟图。
按照以上空间设计和理论设计，接入调好程序的控制器和交流电源，一种基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备设计完成，最终效果图如图1。
本发明基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现精确TI刺激的设备，其理论上能够极大的提高时间干涉(TI)刺激方法的靶向性，进一步研究可以丰富和完善现有的非侵入脑深部电刺激设备，有望获得可观的社会效益和经济效益。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案之一，如有本领域的普通技术人员在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造形的设计出与本发明相类似的结构形式或实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于时间、空间多刺激位点旋转相交实现TI刺激的设备，包括：多个电极组合，作为载体的弹性布帽，起到调节松紧和固定作用固定带，交流电源，计算机，控制器，附着于弹性布帽上的集成电路板，其特征在于，一个电极组合包括一对相干电极，包括四个电极，每个电极组合摆放的具体位置可以根据患者的病灶部位、头部的实际情况进行调整，放置在作为载体的弹性布帽上；每个电极组合的相干区域均覆盖目标刺激靶区、并且不同电极组合相干区域的交集覆盖目标刺激靶区，这个交集覆盖区域面积小于任意一个电极组合相干区域面积。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，激励模式采用电极组合时空旋转相交的方法实现目标刺激靶区多次刺激，每对电极都会产生一个电场，每个电极组合的两个电场会有一个聚焦区域，不同电极组合的分别在0.25微秒内产生不完全相同的聚焦区域；同一位置经过多次重合聚焦，进一步增强聚焦性，甚至产生一个聚焦点，即在不同时间段、不同位置的不同电极组合交替循环施加电刺激，达到目标靶区电刺激的叠加，进而进一步提高TI刺激的靶向性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191224 |