CN112221013A - 一种经颅电刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种经颅电刺激系统，包括电刺激主机，用以产生经颅刺激电流并测试电极以及电极接入功能脑区的阻抗，控制终端，用以控制电刺激主机并接收电刺激主机传输阻抗测试数据。本发明可以将系统阻抗的测试结果通过通信传输在控制终端上实时显示，具体可以采用手机APP作为控制终端，刺激模式通过APP进行设定，极大方便系统的使用，使得经颅直流/交流电刺激装置可以在被试者在家中使用。

Description

一种经颅电刺激系统

技术领域

本发明属于人工智能技术领域，尤其涉及一种经颅电刺激系统。

背景技术

经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)是一种非侵入性的神经刺激技术，有无创、安全可靠、性价比高等优点。tDCS作用时，在目标脑皮层对应的头皮区域固定一定大小的正负电极，在两电极间通以1～2mA微弱的直流电流，调节该脑区的兴奋性。

经颅交流电刺激(transcranial Alternating Current Stimulation,tACS)和tDCS一样，都是一种非侵入性的神经刺激技术，tACS和tDCS所不同的是，在目标脑区在两电极间通以1～2mA微弱的交流电流来进行神经调节。

目前，tDCS和tACS研究领域广泛，在疾病治疗、情绪控制、戒断、运动增强、认知等各个方面均有相关研究，研究结果表明tDCS和tACS已经成为神经科学领域一种安全有效的研究工具和干预手段。

对于相同的电极，当电极与头皮的接触状况不同时，电极接触阻抗会发生变化；同时，对于同一被试者，不同功能脑区的接入阻抗也不同。另一方面，对于不同的被试者，相同的功能脑区接入阻抗也不同。因此，由于电极接触条件的不同、测试脑区的不同、以及被试者的不同，都会给电刺激回路带来阻抗变化。由于经颅直流/交流装置只能保证一定接入阻抗范围内的恒电流刺激，当电极阻抗过大时，电刺激系统的刺激电流不能达到原设定值，达不到有效刺激。因此，电极阻抗测量功能对于经颅电刺激装置很有必要。

而现有的tDCS、tACS装置仅有电刺激功能，没有电极阻抗测试功能，因此需要设计出一种全新的装置来解决现有技术的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带测试交直流电极阻抗的经颅电极测试系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种经颅电刺激系统，包括

电刺激主机，用以产生经颅刺激电流并测试电极以及电极接入功能脑区的阻抗，

控制终端，用以控制电刺激主机并接收电刺激主机传输阻抗测试数据。

作为本发明的进一步改进，所述电刺激主机包括

电源管理模块，给整个电刺激主机提供电力，

MCU控制单元，实现整个经颅电刺激系统的控制、数据处理和传输控制功能，

经颅直流/交流电刺激模块，提供经颅直流电刺激模式和经颅交流电刺激模式并实现两种模式的相互切换，

直流/交流阻抗测试模块，测试经颅直流/交流电刺激模式下的电极阻抗以及电极接入功能脑区的阻抗。

作为本发明的进一步改进，所述经颅直流/交流电刺激模块依次包括连接的DAC模块、V-I变换模块和H桥输出模块。

作为本发明的进一步改进，在经颅直流电刺激模式下时，DAC模块产生正弦、三角波、方波、直流的电压波形，然后通过V-I变换模块将电压波形转换为恒电流输出，通过H桥模块实现电极所接入功能脑区的阳极刺激和阴极刺激的切换。

作为本发明的进一步改进，在经颅交流电刺激模式下时，通过MCU控制单元计算所需频率与偏置的波形，通过DAC模块与V-I模块产生单方向的变化的恒电流信号，然后通过H桥模块对交流波形的同步控制，实现电极所接入功能脑区的交流电刺激。

作为本发明的进一步改进，所述直流/交流阻抗测试模块依次包括连接的ADC模块和放大器。

作为本发明的进一步改进，在经颅直流电刺激模式时，先产生幅度为5％～10％刺激电流的直流测试电流，通过放大器和ADC来测试电极及电极所接入功能脑区的电压，从而得到直流阻抗。

作为本发明的进一步改进，在经颅交流电刺激模式下时，先产生幅度为5％～10％刺激电流的同频率的正弦测试电流，通过放大器和ADC来测试电极及电极所接入功能脑区的电压，从而得到交流阻抗。

作为本发明的进一步改进，所述电极包括电极A和电极B，所述电极A和电极B通过线缆同时与H桥输出模块和放大器电性连接。

作为本发明的进一步改进，所述电刺激主机还包括通信及人机交互模块，包括

按键模块，用以实现电刺激主机的开关功能，

报警模块，用以提示电刺激主机是否工作正常以及电极接触是否不良，

通信模块，用以实现与控制终端之间的通信，通信的方式包括有线连接、蓝牙。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明在提供电刺激前，对接入系统的阻抗进行测试，包括直流阻抗，和交流阻抗测试模式，可以通过直流交流阻抗测试，来反馈系统刺激电极是否接触良好，只有阻抗在系统范围内，能达到有效电刺激。当刺激电极与头皮接触不良，如因被测人头部移动等造成电极接触不良，可能不能达到预定的有效电刺激。本装置高压部分供电为36V，如果预设产生2mA的刺激电流，当电极接入系统阻抗超过18KΩ时将不能达到2mA的有效电流刺激。

同时，系统阻抗的测试结果通过通信接口传输在智能控制终端上实时显示，具体可以采用手机APP作为控制终端，刺激模式通过APP进行设定，系统测试阻抗可以在智能手机APP上进行显示，极大方便系统的使用，使得经颅直流/交流电刺激装置可以在被试者在家中使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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是本发明电刺激主机的一种方案模块示意图；

图2是本发明电刺激主机的另一种方案模块示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本实施方式提供了一种经颅电刺激系统，包括

电刺激主机，用以产生经颅刺激电流并测试电极以及电极接入功能脑区的阻抗，

控制终端，用以控制电刺激主机并接收电刺激主机传输阻抗测试数据。

所述电刺激主机包括

电源管理模块2，给整个电刺激主机提供电力，具体的电源管理模块包括电池、与电池连接的充电控制模块以及电源管理装置，通过电源管理装置向外输送电能，

MCU控制单元1，实现整个经颅电刺激系统的控制、数据处理和传输控制功能，

经颅直流/交流电刺激模块3，提供经颅直流电刺激模式和经颅交流电刺激模式并实现两种模式的相互切换，

直流/交流阻抗测试模块4，测试经颅直流/交流电刺激模式下的电极以及电极接入功能脑区的阻抗。

通信及人机交互模块5，包括

按键模块，用以实现电刺激主机的开关功能，

报警模块，用以提示电刺激主机是否工作正常以及电极接触是否不良，具体的，报警模块可以采用蜂鸣器和指示灯结合的方式，

通信模块，用以实现与控制终端之间的通信，通信的方式包括有线连接、蓝牙。

在整个电刺激主机中，优化各个模块之间的连接，将MCU控制单元作为连接的中心，电源管理模块、按键模块、报警模块、通信模块、经颅直流/交流电刺激模、直流/交流阻抗测试模块均直接与MCU控制单元连接，此外，电源管理模块还跟经颅直流/交流电刺激模进行电性连接。

所述经颅直流/交流电刺激模块依次包括连接的DAC模块、V-I变换模块和H桥输出模块。所述直流/交流阻抗测试模块依次包括连接的ADC模块和放大器。在本实施方式中，电极具体一般包括电极A和电极B，所述电极A和电极B通过线缆同时与H桥输出模块和放大器电性连接。

在一实施例中，采用经颅直流电刺激模式，这时DAC模块产生正弦、三角波、方波、直流的电压波形，然后通过V-I变换模块将电压波形转换为恒电流输出，通过H桥模块实现电极所接入功能脑区的阳极刺激和阴极刺激的切换。在使用该模式时，需要在刺激前，对电极所接入的功能脑区的直列阻抗进行测试，具体的通过电缆先产生小于刺激电流的直流测试电流，优先的测试电流的幅度可以控制在刺激电流幅度的5％～10％范围之内，通过放大器和ADC来测试电极所接入功能脑区的电压，从而得到直流阻抗。

在另一实施例中，采用经颅交流电刺激模式，这是先通过MCU控制单元计算所需频率与偏置的波形，通过DAC模块与V-I模块产生单方向的变化的恒电流信号，然后通过H桥模块对交流波形的同步控制，实现电极所接入功能脑区的交流电刺激。由于电极的接触阻抗与生物体阻抗，在交流情况下与直流情况下不同，且随着频率的变化而改变，因此使用经颅交流电刺激模式时，需要在刺激前，对电极A和电极B所接入功能脑区的交流阻抗进行测试。先通过线缆产生小于刺激电流的同频率的正弦测试电流，优先的测试电流的幅度可以控制在刺激电流幅度的5％～10％范围之内，通过放大器和ADC来测试电极及电极所接入功能脑区的电压，从而得到交流阻抗。

直流/交流阻抗测试模块中的放大器可以采用INA放大器如图1。在其他实施例中，直流/交流阻抗测试模块中的输出的正弦电压加载在负载端时，阻抗测试回路采用TIA跨导放大器测试回路电流，并进行电流的频域分析，从而进行复阻抗计算，如图2。

本发明加入阻抗测试功能，能够测试在直流和交流条件下的电极与大脑皮层连接阻抗。本发明测试的系统阻抗包括：电极A的阻抗Z_EA、电极B的阻抗Z_EB、以及连接入电刺激系统的大脑皮层阻抗Z_S。系统阻抗的测试结果通过通信传输在控制终端上实时显示，具体可以采用手机APP作为控制终端，刺激模式通过APP进行设定，极大方便系统的使用，使得经颅直流/交流电刺激装置可以在被试者在家中使用。

应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种经颅电刺激系统，其特征在于：包括

电刺激主机，用以产生经颅刺激电流并测试电极以及电极接入功能脑区的阻抗，

控制终端，用以控制电刺激主机并接收电刺激主机传输阻抗测试数据。

2.根据权利要求1所述的经颅电刺激系统，其特征在于：所述电刺激主机包括

电源管理模块，给整个电刺激主机提供电力，

MCU控制单元，实现整个经颅电刺激系统的控制、数据处理和传输控制功能，

经颅直流/交流电刺激模块，提供经颅直流电刺激模式和经颅交流电刺激模式并实现两种模式的相互切换，

直流/交流阻抗测试模块，测试经颅直流/交流电刺激模式下的电极以及电极接入功能脑区的阻抗。

3.根据权利要求2所述的经颅电刺激系统，其特征在于：所述经颅直流/交流电刺激模块依次包括连接的DAC模块、V-I变换模块和H桥输出模块。

4.根据权利要求3所述的经颅电刺激系统，其特征在于：在经颅直流电刺激模式下时，DAC模块产生正弦、三角波、方波、直流的电压波形，然后通过V-I变换模块将电压波形转换为恒电流输出，通过H桥模块实现电极所接入功能脑区的阳极刺激和阴极刺激的切换。

5.根据权利要求3所述的经颅电刺激系统，其特征在于：在经颅交流电刺激模式下时，通过MCU控制单元计算所需频率与偏置的波形，通过DAC模块与V-I模块产生单方向的变化的恒电流信号，然后通过H桥模块对交流波形的同步控制，实现电极所接入功能脑区的交流电刺激。

6.根据权利要求3所述的经颅电刺激系统，其特征在于：所述直流/交流阻抗测试模块依次包括连接的ADC模块和放大器。

7.根据权利要求6所述的经颅电刺激系统，其特征在于：在经颅直流电刺激模式时，先产生幅度为5％～10％刺激电流的直流测试电流，通过放大器和ADC来测试电极所接入功能脑区的电压，从而得到电极及其接入功能脑区的直流阻抗。

8.根据权利要求6所述的经颅电刺激系统，其特征在于：在经颅交流电刺激模式下时，先产生幅度为5％～10％刺激电流的同频率的正弦测试电流，通过放大器和ADC来测试电极所接入功能脑区的电压，进行DFT离散傅里叶变换计算，得到电压的频域信息，从而计算得到电极及其接入功能脑区的交流阻抗。

9.根据权利要求7或8中任意一项所述的经颅电刺激系统，其特征在于：所述电极包括电极A和电极B，所述电极A和电极B通过线缆同时与H桥输出模块和放大器电性连接。

10.根据权利要求9所述的经颅电刺激系统，其特征在于：所述电刺激主机还包括通信及人机交互模块，包括

按键模块，用以实现电刺激主机的开关功能，

报警模块，用以提示电刺激主机是否工作正常以及电极与大脑皮层是否接触不良，

通信模块，用以实现与控制终端之间的通信，通信的方式包括有线连接、蓝牙。

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