CN1125658C - 数字频率合成仿生物电波形电流刺激治疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种特殊的电流刺激治疗设备。该设备采用数字频率合成技术产生可按适用要求调节的仿真特定生物电波形的输出治疗电流，用于电刺激治疗。该设备能广泛应用于治疗脑缺血和各种与神经传导障碍有关的疾病，尤其能有效应用于被视为危难病种的中风的治疗。临床表明，该设备对失眠，癫痫，震颤麻痹，大脑认知障碍等病种的治疗，都有明显的特殊疗效。本发明在医学临床具有应用前景。

Description

数字频率合成仿生物电波形电流刺激治疗设备

本发明涉及一种电流治疗设备，尤其涉及一种数字频率合成仿生物电波形电流刺激治疗设备。该电流治疗设备是一种输出特定治疗电流的电流发生器，其功能是采用输出电极对，表面接触人体的施治部位，设备经电极与人体组织构成输出回路，达到输出治疗电流通过人体组织实现电刺激治疗。

电刺激人体以期达到某种预期的生理反应或治疗作用的方法，已有百年的历史。有许多类型的电刺激治疗设备在医学临床广泛使用。现有技术中，所采用的治疗电流的各种波形包括：直流、正弦交流、脉冲(矩形、三角、正弦半波)、组合脉冲(疏密波)、及随机波(白噪声、音乐波)等；应用的范围包括：电针炙、电针刺麻痹、电刺激镇痛、电刺激按摩、电刺激运动康复，电击治疗(用于精神病、癫病、急救等)、心脏起博器、电刺激戒毒治疗等。

本发明提出的电流刺激治疗设备采用数字频率合成仿生物电电流，目的是通过该类型波形治疗电流特殊的生理作用，达到改进治疗效果和扩大适用治疗领域的目的。

本发明的电流发生设备，包括一个控制面板1、一个数字存储部件2、一个数字时域信号发生部件3、一个治疗电流输出部件4和体表电极对5，其特征在于：

所述数字存储部件2，用于存储生物电时域信号的数字频率谱数据，存储方法为，首先记录来自正常生物体的生物电时域信号X(t)，然后作数字Fourier变换，即DFT转换，得到数字形式的数据幅度序列A_i，和初始相位序列Q_i，i＝0，1，2，…，N-1，其中i为频率序号，A_i和Q_i为频率

的相应的幅度和初相位，N为DFT转换的采样点数， 为转换后的对应频率分辨步长，

为采样时间间隔，上述数据的存储记录方法如下：

记录全部N个频率点数据，每个频率点记录2个数据，幅度B_i＝H_i×A_i和初相位Q_i，i＝0，1，…，N-1，其中H_i为滤波加窗系数序列，可以按预定需求调节各频率点的幅度原始值A_i之间的相对大小关系；

所述数字时域信号发生部件3，与控制面板1及数字存储部件2均相连接，功能是将数字存储部件2中的频率谱数据合成时域信号，步骤为，输入数字存储部件2记录的频率谱数据，数字时域信号发生部件3运行指令程序，将输入的频率谱数据，用公式(1-1)计算，得到并输出数字形式的幅度时间序列，该数字值时间序列从幅度波形上仿真前述生物电X(t)，程序计算公式为： $I_j=\mathrm{Amp}\×\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i\×\mathrm{Sin}(\mathrm{Fb}\×j\×i\×\mathrm{\Δw}+Q_i).......(1-1)$

I_j为输出数字值时间序列，j＝0，1，2，…，为时间序列数，每经时间间隔

j增1，按公式(1-1)计算并输出新I_j数值，Amp与Fb是本信号发生部件用于控制的幅度调节系数和频率调节系数，使输出数字序列信号的幅度和频率可调节；

所述治疗电流输出部件4，包括数模(D/A)转换电路和功率输出电路，数模(D/A)转换电路，接收数字时域信号发生部件3输出的数字时域幅度序列，将其转换成相应的时域电流波形信号，通过功率输出电路，输出供治疗使用的仿生物电治疗电流；

所述体表电极对5，将所述的治疗电流输出部件4输出的仿生物电流连接到施治部位。

本发明的电流治疗设备，所述数字存储部件2的数据记录方式还可以为，仅记录幅度值较大的频率点数据，每个频率点数据记录3个数据；频率序数i，幅度B_i＝H_i×A_i，初相位Q_i，i∈{{0，1，…，N-1}∩A_i＞Base}，其中Base为预定的记录数据的幅度门槛值；

与公式(1-1)相对应的数字时域信号发生部件3的指令程序计算公式为：

{记录集}为数字存储部件2中记录的i的数据集合。

本发明的电流治疗设备，数字存储部件2存储的数字形式频率谱可以采用复数型数据，复数幅度F_i＝a_i+jb_i，其中i＝0，1，2，…，N-1，

a_i和jb_i分别为复数幅度的实部和虚部，部件2的数据记录方法为，记录全部N个频率点数据，每个频率点记录2个数据，幅度Ba_i＝Ha_i×a_i和Bb_i＝Hb_i×b_i，i＝0，1，…，N-1，其中Ha_i和Hb_i为复数滤波加窗系数序列的实部和虚部，可以按预定需求调节各频率点的幅度原始值a_i，b_i之间的相对大小关系；

相应的数字时域信号发生部件3的程序计算公式为： $I_j=\mathrm{Amp}\×\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{Ba}}_i\×\mathrm{Cos}(\mathrm{Fb}\×j\×i\×\mathrm{\Δw})+{\mathrm{Bb}}_i\×\mathrm{Sin}(\mathrm{Fb}\×j\×i\×\mathrm{\Δw})]....(3-1)$

本发明的电流发生设备，数字存储部件2的频率数据采用复数型时，数据记录方式还可以为，仅记录幅度值较大的频率点数据，每个频率点数据记录3个数据：频率序数i，幅度Ba_i＝Ha_i×a_i，Bb_i＝Hb_i×b_i， $i\∈\left\{\right\{\mathrm{0,1},...,N-1\}\∩\sqrt{a_i^2+b_i^2}>\mathrm{Base}\},$ 其中Base为预定的记录数据的幅度门槛值，Ha_i和Hb_i为滤波加窗系数序列的实部和虚部，

相应的数字时域信号发生部件3的程序计算公式为：

{记录集}为数字存储部件2中记录的i的数据集合。

本发明的电流治疗设备，在完成所述的指令程序公式计算和操作控制4中，采用单片计算机或DSP(数字信号处理器)芯片，或者采用集成了单片计算机或DSP芯片的专用集成电路。

本发明提供的治疗设备，有着如下优点：

1、高治疗灵敏度，能使用更小的电刺激剂量，达到充分的疗效(更安全)，例如头脑部等敏感区治疗，只需采用IEC标准规定允许电刺激剂量的几十分之一；

2、治疗电流在人体的导入性能得到改善(更有效)，例如，实验证明，在头部的体表用该设备进行小剂量无创伤导入，已能有效穿透颅骨屏障，达到进入脑实体治疗；

3、病人的易接受性，即使在用于最敏感的头脑区，也在完全被轻易接受的强度下就达到充分的疗效；

4、应用面广，能广泛应用于治疗脑缺血和各种与神经传导障碍有关的疾病，改善、治疗与神经功能有关的各种症状，尤其能有效应用于被视为危难病种的中风的治疗，可进行发病期、康复期和预防性治疗；在针对性选择的临床病例应用表明，该设备对失眠，头疼，癫痫，震颤麻痹，大脑认知障碍等病种的治疗，都有显著的特殊疗效。

5、设备轻便，由于在完成指令程序公式计算和控制中，采用单片计算机或DSP芯片的专用集成电路作处理器，能实现设备的轻便化，构成便携式的小型设备。

6、采用的波形样板的生物电范围广泛，如脑电、心电、肌电、神经传导电，以及各种器宫的生理运动记录波形；本发明用正常的，健康的，年轻的生物电波形，去干预和治疗病体，能调动和激活生物潜能，达到特殊的治疗效果。

下面结合附图对本发明的电流治疗设备作进一步的描述。

图1为本发明的电流治疗设备的基本框图和连接；

图2为治疗电流的功率谱实例；

图3为谱合成计算程序的框图。

参见图1，本发明设备的核心部件是数字时域信号发生部件3，它与控制面板1连接获取操作调节控制信息，输出状态显示信息；它与数字存储部件2连接，在设备工作时读取选中的生物电频谱数据并运行数字频率合成程序形成时域仿生物电数字幅度序列；它与治疗电流输出部件4的D/A口连接，输出仿生物电数字序列经部件4转换成相应的模拟输出电流；体表电极对5粘贴于治疗部位，并经电缆连接于部件4的输出端口，实现输出治疗；部件3尚可与部件4的电流输出端口连接，检测实际输出电流的负载情况数据，在程序中调节控制输出的恒流性能。

实施例：本电刺激治疗设备在用于治疗脑循环系统疾病的临床中，被证明产生显著疗效。具体实施时，设备采用只读存储器ROM作数字频率谱的存储器件，采用TMS320C203(DSP)作数字频率合成程序运算处理器构成数字时域信号发生部件，采用筛选自脑电信号的生物电作样板生物电波形X(t)并使用加窗滤波，用体表接触电极导入治疗电流，参见图2。其机理是利用仿真生物电流的易导性与治疗敏感性，使电流穿过颅壳，通过脑组织容积导电体时，能有效达到和刺激小脑顶核区域，从而产生达到显著改善脑供血，改善神经传导的治疗效果。作为小脑电刺激研究的现有基础，已有大量动物小脑电刺激试验的研究报告，报告了电刺激小脑顶核区能达到显著改进脑供血的效果。但报道的动物试验方法都是手术打开颅壳后直接电刺激小脑顶核区进行的，使用的是常规波形的刺激电流(如直流、交流、脉冲)。本发明采用上述特定的仿生物电流，通过体表接触电极在体外无创伤进行施治，已能有效克服颅骨的电屏障，达到用无创伤体表电流导入方法也取得了与开颅直接进行电刺激试验相似的效果，在安全性与实用性上前进了一大步，为人体临床治疗中风等脑血管疾病提供了一种方法。

Claims (6)

1.一种用于电流刺激治疗目的的刺激电流产生方法，其特征在于包含以下两个基本步骤：

步骤一：将数字采样记录的时域幅度变化的生物电波形X(t)，经数字Fourier变换(DFT)，得到并储存频域的频谱数据幅度序列A_i，和初始相位序列Q_i，i＝0，1，2，…，N-1，其中i为频率序号，A_i和Q_i为频率

的相应的幅度和初相位，N为DFT转换的采样点数， 为转换后的对应频率分辨步长，

为采样时间间隔；

步骤二：经数字反Fourier变换，实时数字频率合成时域幅度变化的治疗用刺激电流，在数字反Fourier变换中使用到步骤一所储存的频谱数据；

2.如权利要求1所述的刺激电流产生方法，其进一步的特征在于：

步骤一中，频谱数据的存储记录方法为，记录全部N个频率点数据，每个频率点记录2个数据，幅度B_i＝H_i×A_i和初相位Q_i，i＝0，1，…N-1，其中H_i为滤波加窗系数序列；

步骤二中，在使用步骤一频谱数据作数字频率合成时，使用用公式(1-1)作实时程序计算，得到数字形式的幅度时间序列，该数字值时间序列从幅度波形上仿真前述生物电X(t)： $I_j=\mathrm{Amp}\×\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i\×\mathrm{Sin}(\mathrm{Fb}\×j\×i\×\mathrm{\Δw}+Q_i).......(1-1)$ I_j为输出数字值时间序列，j＝0，1，2，…，为时间序列数，每经时间间隔 j增1，按公式(1-1)计算并输出新I_j数值，Amp与Fb是本信号发生部件用于控制的幅度调节系数和频率调节系数，使输出数字序列信号的幅度和频率可调节；

3.如权利要求1或2所述的刺激电流产生方法，其进一步的特征在于，在步骤一中，频谱数据的存储记录方法为，仅记录幅度值较大的频率点数据，每个频率点数据记录3个数据：频率序数i，幅度B_i＝H_i×A_i，初相位Q_i，i∈{{0，1，…，N-1}∩A_i＞Base}，其中Base为预定的记录数据的幅度门槛值；

在步骤二中，使用步骤一频谱数据作数字频率合成时，实时程序计算公式(1-1)相应变形为公式(2-1)： $I_j=\mathrm{Amp}\×\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i\×\mathrm{Sin}(\mathrm{Fb}\×j\×i\×\mathrm{\Δw}+Q_i).......(2-1)$ {记录集}为步骤一中记录的i的数据集合；

4.如权利要求1所述的刺激电流产生方法，其进一步的特征在于，

步骤一得到和存储的数字形式频率谱采用复数型数据，复数频率F_i＝a_i+jb_i，其中i＝0，1，2，…，N-1，

a_i和jb_i分别为复数频率的实部和虚部，

其数据记录的方法为：

记录全部N个频率点数据，每个频率点记录2个数据，幅度Ba_i＝Ha_i×a_i和Bb_i＝Hb_i×b_i，i＝0，1，…，N-1，其中Ha_i和Hb_i为复数滤波加窗系数序列的实部和虚部，可以按预定需求调节各频率点的幅度原始值a_i，b_i之间的相对大小关系；

在步骤二中，使用步骤一频谱数据作数字频率合成时，使用用公式(3-1)作实时程序计算，得到数字形式的幅度时间序列，该数字值时间序列从幅度波形上仿真前述生物电X(t)： $I_j=\mathrm{Amp}\×\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i\×\mathrm{Sin}(\mathrm{Fb}\×j\×i\×\mathrm{\Δw}+Q_i).......(3-1);$

5.如权利要求1或4所述的刺激电流产生方法，其进一步特征在于，

所述的步骤一的数据记录方式，仅记录幅度值较大的频率点数据，每个频率点记录3个数据：频率序数i，幅度Ba_i＝Ha_i×a_i，Bb_i＝Hb_i×b_i，i∈{{0，1，…，N-1} $\∩\sqrt{a_i^2+b_i^2}>\mathrm{Base}\},$ 其中Base为预定的记录数据的幅度门槛值，Ha_i和Hb_i为滤波加窗系数序列的实部和虚部。

在步骤二中，使用步骤一频谱数据作数字频率合成时，实时程序计算公式(3-1)相应变形为公式(4-1)：{记录集}为步骤一中记录的i的数据集合；

6.根据权利要求1至5所述的任一刺激电流产生方法实现的电流刺激治疗设备，其进一步的特征在于：

1)包括一个数字存储部件(a)，用于存储所述频谱数据；一个数字时域信号发生部件(b)，用于进行实时数字频率合成；及体表治疗输出电极对(c)，用于施行无创伤电刺激治疗；

2)部件(b)中，采用单片计算机或DSP(数字信号处理器)芯片，或者采用集成了单片计算机或DSP芯片的专用集成电路实现实时数字频率合成计算。

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