CN111728712A - 一种经颅磁刺激用充气定位头枕及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经颅磁刺激用充气定位头枕及其定位方法，头枕包括头枕支架和安装在头枕支架内侧的气囊，气囊连接在气路系统上，气路系统还包括充气气泵、多通阀、电气比例阀和数字式压力开关，充气气泵通过多通阀和电气比例阀将充气气泵输出的气体分流并调节成各个电气比例阀调定的压力输入到各个气囊内，数字式压力开关对气囊内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，通过气路控制系统调定各个电气比例阀的阀门开合大小。本发明相对于现有技术，可以保证头枕与人体头部有效贴合，使得头枕能够与头部同步转动，配合转动跟随使用，能够提高跟随的精度，提高跟随使用的效果，保证经颅磁刺激治疗的有效性。

Description

一种经颅磁刺激用充气定位头枕及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种经颅磁刺激用充气定位头枕及其定位方法。
背景技术
经颅磁刺激技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑)，改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。在治疗过程中需要将磁刺激排头对准患者头部靶点位置并保持相对位置不动，常见的应用方式是医生手持磁刺激排头或者是使用两节机械臂夹持排头固定到患者头部对应靶点位置，在一个疗程周期约半个小时内患者头部不允许移动或尽量少移动，否则排头无法对准靶点导致治疗效果降低或者失效。
当利用双轨同心进行靶点跟随治疗时，患者将头部倚靠于普通头枕的软包内侧，治疗过程中当患者头部往一侧转头时，患者头部后侧头枕区会与头枕软包产生摩擦，此摩擦力可带动头枕沿内侧圆弧导轨滑动。因不同患者头围不同或者头部后侧与头枕软包接触不够从而正压力不够可能导致头部转动一定角度而头枕并未跟随转动进而导致靶点丢失，影响跟随精度和治疗效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种经颅磁刺激用充气定位头枕及其定位方法，可保证头枕与头部有效贴合使头枕与头部同步转动，保证靶点的相对位置不变，确保治疗效果。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种经颅磁刺激用充气定位头枕，包括头枕支架和安装在头枕支架内侧的气囊，气囊连接在气路系统上，头枕软包为弹性材质，包裹住气囊并与头枕支架固定，覆盖与人体头部接触的所有位置，形成耳支式软包头枕；气路系统还包括充气气泵、多通阀、电气比例阀和数字式压力开关，充气气泵通过多通阀和电气比例阀将充气气泵输出的气体分流并调节成各个电气比例阀调定的压力输入到各个气囊内，数字式压力开关对气囊内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，通过气路控制系统调定各个电气比例阀的阀门开合大小，气路控制系统同时控制充气气泵和多通阀的启闭。
具体的，所述气囊包括支撑人体头部后侧的后侧气囊、支撑人体头部左右两侧耳部下方及面颊的左右两个侧面气囊。
具体的，所述头枕支架为弯折成U型的板状结构，该板状结构的边缘向外延伸形成腔体，在头枕支架的外侧设置有后盖，通过后盖覆盖形成的腔体；电路结构设置以及机械连接的凸起结构均设置在形成的腔体内。
具体的，所述头枕支架通过头枕滑块安装在前圆弧导轨上，在头枕支架或头枕滑块上设置有转动角度检测装置；在后圆弧轨道上设置跟随滑块，跟随驱动装置驱动跟随滑块与头枕滑块同步转动；所述前圆弧导轨和后圆弧轨道为位置相对固定的同心结构。
本发明在使用时，采用气囊填充头枕软包与头枕支架之间的空隙，确保人体头部能够与耳支式软包头枕完全有效接触，当人体头部发生转动时，由于面颊对气囊的压力发生了变化，气囊内部的压力也会发生变化，并被数字式压力开关检测到，为了维持气囊的压力值稳定，通过电气比例阀进行反馈控制，这样就能保证头部转动时头部也能与耳支式软包头枕有效接触，实现头部与耳支式软包头枕的同步转动，在进行同步跟踪时，只需要对耳支式软包头枕进行跟踪就能够实现对头部的有效跟踪，对耳支式软包头枕的转动角度检测要比对头部转动角度的检测容易得多，检测装置也能够与耳支式软包头枕实现较为长期的固定安装，便于整个机器的反复使用。在使用时不用对头部进行跟踪，减少使用时对头部的操作，减少准备时间并提高用户体验。
一种经颅磁刺激用充气定位头枕的定位方法，数字式压力开关对各个气囊内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，气路控制系统根据数字式压力开关的检测结果控制电气比例阀的阀门开合大小从而保持各个气囊压力值稳定，当各个气囊压力值均达到压力设定值时说明各位置气囊已将头枕软包与头枕支架之间的空隙填满，人体头部与耳支式软包头枕完全接触；当人体头部往一侧转动时，该侧脸颊将压靠该侧气囊从而带动头枕支架转动。
具体的，对各个气囊内的实时压力通进行控制的过程包括如下步骤：
Step1：通过气路控制系统设定各个气囊的目标压力值SV；
Step2：开启充气气泵、多通阀、电气比例阀和数字式压力开关，数字式压力开关对气囊内的实时压力进行检测并将检测结果PV发送给气路控制系统；
Step3：气路控制系统对数字式压力开关的检测结果进行PID运算，形成各个电气比例阀调定的压力，也即调定各个电气比例阀的阀门开合大小，对各个气囊进行压力保持；所述PID运算过程为：先计算检测值PV与目标值SV之间的偏差，将偏差送入PID模块进行计算，形成控制对应电气比例阀的电压值变化量ΔMV(该电压值与该电气比例阀的压力及阀门开合大小一一对应)，电气比例阀根据电压值调整阀门开合大小，维持气囊内的实时压力稳定；
Figure BDA0002533320810000031
EVn＝PVnf-SV
Figure BDA0002533320810000032
MVn＝∑ΔMV
其中：EVn为第n次采样时的偏差，EVn-1为第n-1次采样时的偏差，Dn为第n次采样时的微分项，Dn-1为第n-1次采样时的微分项，SV为目标值，KP为比例增益，PVnf为第n次采样的检测值(滤波后)，PVnf-1为第n次采样前一个周期的检测值(滤波后)，PVnf-2为第n次采样前两个周期的检测值(滤波后)，ΔMV为电压值变化量，KD为微分增益，MVn为第n次采样时的操作量，TS为采样周期，TI为积分常数，TD为微分常数。
通过该方法，控制在整个使用过程中，保证人体头部与耳支式软包头枕的有效接触，实现人体头部与耳支式软包头枕的同步转动。
有益效果：本发明提供的经颅磁刺激用充气定位头枕及其定位方法，相对于现有技术，可以保证头枕与人体头部有效贴合，使得头枕能够与头部同步转动，配合转动跟随使用，能够提高跟随的精度，提高跟随使用的效果，保证经颅磁刺激治疗的有效性；本案利用气囊填满软包与头枕支架之间的间隙，可适应不同头围人群；本案采用PID闭环控制可保证气压稳定从而保证头枕与头部运动一致性；本案采用充气气囊与软包的组合可以保证头部的舒适性；本方案填补了行业空白，跟随装置可以实现拍头与头部的头部转动，而本方案的头枕可以保证头部与头枕转动的同步性，提高跟随检测、治疗的有效性；调整气囊的数量、位置、组合方式，可以适应不同的使用环境。
附图说明
图1为耳支式软包头枕的结构示意图；
图2为隐藏了头枕软包的耳支式软包头枕的结构示意图；
图3为隐藏了后盖的耳支式软包头枕的结构示意图；
图4为一种使用状态的耳支式软包头枕结构示意图；
图5为气路控制系统框图；
图6为PID运算流程图；
图7为PID控制系统框图；
图中包括：1-头枕支架；2-气囊；3-头枕软包；4-后盖；5-拍头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种经颅磁刺激用充气定位头枕，包括头枕支架1和安装在头枕支架1内侧的气囊2；气囊可以根据使用环境进行具体的结构设计，并进行合理布局，以使用不同头围的用户使用，将头枕两侧设计成两侧对称支耳形式从而可对患者脸颊两侧形成包裹的状态，同时因不同患者头部和脸颊的宽度不同，在头枕支耳及侧面设计可充气气囊；本案如图2所示，气囊2有三个，包括支撑人体头部后侧的后侧气囊、支撑人体头部左右两侧耳部下方及面颊的左右两个侧面气囊。头枕软包3为弹性材质，包裹住气囊2并与头枕支架1固定，覆盖与人体头部接触的所有位置，形成耳支式软包头枕。在用户倚靠至头枕后侧后，头枕两侧气囊和支耳部位的气囊开始充气膨胀直至达到设定值，此时气囊将患者脸颊、头枕软包与头枕支架之间的空隙全部填满且不易产生变形。
气囊2连接在气路系统上，气路系统还包括充气气泵、三通阀、电气比例阀和数字式压力开关，充气气泵通过三通阀和电气比例阀将充气气泵输出的气体分流并调节成三个电气比例阀调定的压力输入到三个气囊2内，数字式压力开关对气囊2内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，通过气路控制系统调定各个电气比例阀的阀门开合大小，气路控制系统同时控制充气气泵和多通阀的启闭。
如图3所示，所述头枕支架1为弯折成U型的板状结构，该板状结构的边缘向外延伸形成腔体，在头枕支架1的外侧设置有后盖4，通过后盖覆盖形成的腔体；电路结构设置以及机械连接的凸起结构均设置在形成的腔体内。
如图4所示，所述头枕支架1通过头枕滑块安装在前圆弧导轨上，在头枕支架或头枕滑块上设置有转动角度检测装置；在后圆弧轨道上设置跟随滑块，跟随驱动装置驱动跟随滑块与头枕滑块同步转动；所述前圆弧导轨和后圆弧轨道为位置相对固定的同心结构。使用时，人体头部枕靠在耳支式软包头枕上，调整气囊压力至人体舒适并松紧合适，确保能够耳支式软包头枕能够有效跟随头部的转动。拍头5通过支架安装在跟随滑块上，调整拍头对准头部治疗位置；当头部转动时，由于耳支式软包头枕的有效跟随，直接通过转动角度检测装置检测耳支式软包头枕的转动角度即可确定头部的转动角度；由于两条轨道同心，因此跟随滑块只要同步转动相同角度即可保证拍头与头部的相对位置不变，实现有效治疗。跟随滑块的转动通过跟随驱动装置驱动。
推荐的一种跟随驱动装置的结构，包括与后圆弧轨道同心的同步带槽、同步带、同步带轮、惰轮I、惰轮II和电机，电机的基座与跟随滑块位置固定，同步带轮安装在电机的输出轴上，同步带的一端与同步带槽的一端固定，另一端沿着同步带槽延伸，绕经惰轮I后伸出同步带槽外，绕经同步带轮后再绕经惰轮II后回到同步带槽内，最后与同步带槽的另一端固定；安装惰轮I和惰轮II的轴与支架滑块位置固定。另外，采用这种跟随驱动装置时，最好在跟随滑块上安装滑轮，采用滑轮与后圆弧轨道相配合形成滑轮滑轨的结构更为合适。
一种经颅磁刺激用充气定位头枕的定位方法，如图5所示，数字式压力开关对各个气囊内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，气路控制系统根据数字式压力开关的检测结果控制电气比例阀的阀门开合大小从而保持各个气囊压力值稳定，当各个气囊压力值均达到压力设定值时说明各位置气囊已将头枕软包与头枕支架之间的空隙填满，人体头部与耳支式软包头枕完全接触；当人体头部往一侧转动时，该侧脸颊将压靠该侧气囊从而带动头枕支架转动。如图6所示，对各个气囊内的实时压力通进行控制的过程包括如下步骤：
Step1：通过气路控制系统设定各个气囊的目标压力值SV；
Step2：开启充气气泵、多通阀、电气比例阀和数字式压力开关，数字式压力开关对气囊内的实时压力进行检测并将检测结果PV发送给气路控制系统；
Step3：气路控制系统对数字式压力开关的检测结果进行PID运算，形成各个电气比例阀调定的压力，也即调定各个电气比例阀的阀门开合大小，对各个气囊进行压力保持；所述PID运算过程为：先计算检测值PV与目标值SV之间的偏差，将偏差送入PID模块进行计算，形成控制对应电气比例阀的电压值变化量ΔMV(该电压值与该电气比例阀的压力及阀门开合大小一一对应)，电气比例阀根据电压值调整阀门开合大小，维持气囊内的实时压力稳定。
如图7所示为PID控制系统框图，通过前期设定的气囊内部气压的目标值SV，PID模块实时计算系统的设定目标值SV与数字式压力开关的反馈值PV的偏差大小，执行PID运算，得出输出值ΔMV，调节输出电压来控制电气比例阀的阀门开合大小以及进气量，以达到稳定气囊内部气压的目的；相应的计算公式如下：
Figure BDA0002533320810000061
EVn＝PVnf-SV
Figure BDA0002533320810000062
MVn＝∑ΔMV
其中：EVn为第n次采样时的偏差，EVn-1为第n-1次采样时的偏差，Dn为第n次采样时的微分项，Dn-1为第n-1次采样时的微分项，SV为目标值，KP为比例增益，PVnf为第n次采样的检测值(滤波后)，PVnf-1为第n次采样前一个周期的检测值(滤波后)，PVnf-2为第n次采样前两个周期的检测值(滤波后)，ΔMV为电压值变化量，KD为微分增益，MVn为第n次采样时的操作量，TS为采样周期，TI为积分常数，TD为微分常数。
患者进行经颅磁刺激前，患者头部倚靠头枕上，气体从气泵出来后分成三路，每一路气先经气源控制阀，然后经过电气比例阀调定压力后送入各个气囊，数字式压力开关检测气囊压力后输出信号到气路控制系统，气路控制系统根据数字式压力开关的检测值控制电气比例阀的阀门开合大小从而保持气囊腔内压力稳定，当气囊压力值达到压力设定值时说明各位置气囊已将头枕软包与头枕支架之间的空隙填满。此时患者头部与头枕软包完全接触。治疗开始后，当患者往一侧转头时，该侧脸颊将压靠该侧气囊从而带头枕支架转动，后侧导轨进行跟随从而保证靶点位置不变。治疗结束后系统控制三通阀开始泄压。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种经颅磁刺激用充气定位头枕，其特征在于：包括头枕支架(1)和安装在头枕支架(1)内侧的气囊(2)，气囊(2)连接在气路系统上，头枕软包(3)为弹性材质，包裹住气囊(2)并与头枕支架(1)固定，覆盖与人体头部接触的所有位置，形成耳支式软包头枕；气路系统还包括充气气泵、多通阀、电气比例阀和数字式压力开关，充气气泵通过多通阀和电气比例阀将充气气泵输出的气体分流并调节成各个电气比例阀调定的压力输入到各个气囊(2)内，数字式压力开关对气囊(2)内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，通过气路控制系统调定各个电气比例阀的阀门开合大小，气路控制系统同时控制充气气泵和多通阀的启闭。
2.根据要求1所述的经颅磁刺激用充气定位头枕，其特征在于：所述气囊(2)包括支撑人体头部后侧的后侧气囊、支撑人体头部左右两侧耳部下方及面颊的左右两个侧面气囊。
3.根据要求1所述的经颅磁刺激用充气定位头枕，其特征在于：所述头枕支架(1)为弯折成U型的板状结构，该板状结构的边缘向外延伸形成腔体，在头枕支架(1)的外侧设置有后盖(4)，通过后盖覆盖形成的腔体；电路结构设置以及机械连接的凸起结构均设置在形成的腔体内。
4.根据要求1所述的经颅磁刺激用充气定位头枕，其特征在于：所述头枕支架(1)通过头枕滑块安装在前圆弧导轨上，在头枕支架或头枕滑块上设置有转动角度检测装置；在后圆弧轨道上设置跟随滑块，跟随驱动装置驱动跟随滑块与头枕滑块同步转动；所述前圆弧导轨和后圆弧轨道为位置相对固定的同心结构。
5.一种经颅磁刺激用充气定位头枕的定位方法，其特征在于：数字式压力开关对各个气囊内的实时压力进行检测并将检测结果发送给气路控制系统，气路控制系统根据数字式压力开关的检测结果控制电气比例阀的阀门开合大小从而保持各个气囊压力值稳定。
6.根据权利5所述的经颅磁刺激用充气定位头枕的定位方法，其特征在于：对各个气囊内的实时压力通进行控制的过程包括如下步骤：
Step1：通过气路控制系统设定各个气囊的目标压力值SV；
Step2：开启充气气泵、多通阀、电气比例阀和数字式压力开关，数字式压力开关对气囊内的实时压力进行检测并将检测结果PV发送给气路控制系统；
Step3：气路控制系统对数字式压力开关的检测结果进行PID运算，形成各个电气比例阀调定的压力，也即调定各个电气比例阀的阀门开合大小，对各个气囊进行压力保持；所述PID运算过程为：先计算检测值PV与目标值SV之间的偏差，将偏差送入PID模块进行计算，形成控制对应电气比例阀的电压值变化量ΔMV，电气比例阀根据电压值调整阀门开合大小，维持气囊内的实时压力稳定；
Figure FDA0002533320800000021
EVn＝PVnf-SV
Figure FDA0002533320800000022
MVn＝∑ΔMV
其中：EVn为第n次采样时的偏差，EVn-1为第n-1次采样时的偏差，Dn为第n次采样时的微分项，Dn-1为第n-1次采样时的微分项，SV为目标值，KP为比例增益，PVnf为第n次采样的检测值，PVnf-1为第n次采样前一个周期的检测值，PVnf-2为第n次采样前两个周期的检测值，ΔMV为电压值变化量，KD为微分增益，MVn为第n次采样时的操作量，TS为采样周期，TI为积分常数，TD为微分常数。
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