CN112717286A - 一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗仪器技术领域，提供了一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统，包括硬件层、三维移动平台、超声换能器和声准直器，硬件层包括依次通信连接的LCD显示屏、ARM处理器、FPGA芯片以及高压脉冲发射电路。由于高压脉冲发射电路发射的电脉冲信号为周期性脉冲群，因此本发明实现了一种周期可控的脉冲群的发射方式，能够在发射一定时间的脉冲后，停止发射一段时间，然后再继续发射，这样发射方式能够有效地避免持续的脉冲造成的神经疲劳问题。此外，通过声准直器和三维移动平台实现了超声刺激位置的精确可控，LCD显示屏方便根据病情的轻重程度进行不同参数的超声刺激。

Description

一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统
技术领域
本发明属于医疗仪器技术领域，具体涉及一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统。
背景技术
神经系统疾病，主要是指发生在中枢神经系统、周围神经系统以及自主神经系统的病征，例如卒中、帕金森病、阿尔兹海默症等等。据估计全球约有4.5亿人患有神经系统疾病，神经类疾病的发病原因复杂多样，有效的神经系统康复手段能够减轻患者的痛苦和家庭的生活负担，因此，研制神经系统疾病的治疗仪器和治疗系统具有重要意义。
传统的预防和治疗神经系统疾病的方法是药物治疗，药物治疗具有全身性，副作用大，治疗周期长。深部脑刺激技术需要外科手术，在脑组织中植入电极，这会造成神经系统和组织的创伤。经颅直流电刺激通过阴阳两个电极向脑区发出恒定微弱的电流，达到脑组织细胞兴奋的效果，虽然具有非侵入性，但是空间分辨率太低，无法对大脑的特定区域进行治疗。
低强度经颅超声刺激作为一种新型的神经调节技术，具有非侵入、高空间分辨率，高刺激深度的特点，能够达到很好的神经调节和治疗效果。目前大多数经颅超声都是借助信号发生器和功率放大器产生，设备庞大、复杂，操作起来不方便。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统。
本发明提供了一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统，具有这样的特征，包括：应用层、系统层、驱动层、硬件层、三维移动平台、固定在三维移动平台上的超声换能器以及固定在超声换能器上的声准直器，其中，硬件层包括依次通信连接LCD显示屏、ARM处理器、FPGA芯片以及高压脉冲发射电路，应用层运行于系统层上，具有显示在LCD显示屏上的显示界面，该显示界面用于用户输入超声发射参数及移动参数，系统层运行于ARM处理器之上，根据移动参数向FPGA芯片发送移动指令，FPGA芯片根据移动指令驱动三维移动平台，使声准直器移动到患者头部的预定位置，系统层根据超声发射参数向FPGA芯片发送超声发射指令，然后FPGA芯片根据超声发射指令产生脉冲控制信号，高压脉冲发射电路根据脉冲控制信号发射电脉冲信号，该电脉冲信号为周期性脉冲群，超声换能器将电脉冲信号转换为超声信号，声准直器的底部紧贴在患者头部的预定位置，引导超声信号并缩小超声信号的聚焦范围。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，应用层为Android应用程序，显示界面具有开始按钮、停止按钮、参数输入框及波形显示部分，开始按钮与停止按钮分别控制超声信号的发射和终止，参数输入框用于输入超声发送参数及移动参数，波形显示部分用于显示超声信号的波形，驱动层包括eDP驱动程序和SPI驱动程序，FPGA芯片与ARM处理器通过SPI总线通信连接，系统层通过SPI驱动程序控制FPGA芯片，通过eDP驱动程序控制LCD显示屏。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，超声发射参数包括中心频率、脉冲持续时间、脉冲重复周期、发射电压、刺激时间，中心频率为0.25MHz-10MHz。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，高压脉冲发射电路与FPGA芯片通过串行总线和I/O口通信连接，高压脉冲发射电路的占空比由脉冲持续时间和脉冲重复周期决定，范围为0％-100％。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，移动参数包括步长、步数、移动方向和移动速度，三维移动平台的移动精度为0.01mm。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，ARM处理器采用ARM Cortex-A9内核，通过视频总线外接LCD显示屏，该LCD显示屏为触摸屏。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，超声换能器为聚焦型或非聚焦型。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，声准直器为上下开口的空心圆锥体结构，上端口径d1，下端口径d2，上端口径d1与超声换能器的直径相匹配，且大于下端口径d2。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，超声换能器通过金属套固定在声准直器的顶端，声准直器与超声换能器之间填满超声耦合剂。
在本发明提供的基于安卓系统的经颅超声刺激系统中，还可以具有这样的特征：其中，电脉冲信号为正弦波或者方波。
发明的作用与效果
根据本发明所提供发基于安卓系统的经颅超声刺激系统，包括应用层、系统层、驱动层、硬件层、三维移动平台、固定在三维移动平台上的超声换能器以及固定在超声换能器上的声准直器，硬件层包括依次通信连接的LCD显示屏、ARM处理器、FPGA芯片以及高压脉冲发射电路。用户在显示在LCD显示屏上的显示界面内输入超声发射参数及移动参数，系统层运行于ARM处理器之上，根据超声发射参数向FPGA芯片发送超声发射指令，FPGA芯片根据超声发射指令产生脉冲控制信号，高压脉冲发射电路根据脉冲控制信号发射电脉冲信号，超声换能器将电脉冲信号转换为超声信号。因为电脉冲信号为周期性脉冲群，所以超声换能器得到的超声信号也为周期性的。因此，本发明实现了一种周期可控的脉冲群的发射方式，能够在发射一定时间的脉冲后，停止发射一段时间，然后再继续发射，与现有的经颅刺激系统相比，能够有效地避免持续的脉冲造成的神经疲劳问题。
另外，用户通过LCD显示屏，可以方便地修改脉冲群的持续时间和间隔等超声参数，方便根据病情的轻重程度进行不同参数的超声刺激。
此外，系统层根据移动参数向FPGA芯片发送移动指令，FPGA芯片根据移动指令驱动三维移动平台，使声准直器精确地移动到患者头部的预定位置，通过声准直器和三维移动平台实现了超声刺激位置的精确可控，根据患者待治疗区域的大小，定制不同类型和尺寸的声准直器，以达到最有效的治疗效果。
附图说明
图1是本发明的实施例中的基于安卓系统的经颅超声刺激系统的结构示意图；
图2是本发明的实施例中的声准直器的结构示意图；
图3是本发明的实施例中的三维移动平台的结构示意图；
图4是本发明的实施例中的基于安卓系统的经颅超声刺激系统的系统结构图；
图5是本发明的实施例中的基于安卓系统的经颅超声刺激系统的数据传输关系的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明一种基于安卓系统的经颅超声刺激装置作具体阐述。
<实施例>
本实施例对基于安卓系统的经颅超声刺激装置的结构和使用方法做具体阐述。
图1是本发明的实施例中的基于安卓系统的经颅超声刺激系统的结构示意图。
如图1所示，基于安卓系统的经颅超声刺激系统包括经颅超声刺激仪100、三维移动平台200(见图3)、超声换能器300以及声准直器400。
如图1所示，经颅超声刺激仪100用于发射电脉冲信号，该电脉冲信号为周期性脉冲群。超声换能器300通过BNC线缆15和经颅超声刺激仪100相连。三维移动平台200与超声换能器300固定在一起，超声换能器300的底部通过金属套(附图中未显示)固定在声准直器400的顶部。超声换能器300与声准直器400之间的空隙填满超声耦合剂500。超声耦合剂500为常见的医用超声耦合剂。声准直器400的底部紧贴在需要治疗的部位的头皮。用超声耦合剂填充空隙的过程中要避免气泡产生。在本实施例中，金属套为铜金属套。
超声换能器300有聚焦和非聚焦两种类型，超声换能器的频率范围为0.25MHz-10MHz，用户可根据需要的经颅刺激强度的大小选择不同频率的换能器。
经颅超声刺激仪100发射电脉冲信号，电脉冲信号经过超声换能器300后，电信号转换为声信号，得到超声信号，该超声信号经过声准直器400的引导，缩小了刺激范围，精准度得到提高。通过三维移动平台移动200调整超声换能器300和声准直器400的位置，使其对准大脑600的待治疗区域，进行超声刺激。
图2是本发明的实施例中的声准直器的结构示意图。
如图2所示，声准直器400为上下开口的空心圆锥体结构，由3D打印制作而成，材料为PC-ISO工程塑料，可对治疗部位定制不同类型和尺寸的声准直器。
声准直器400包括两部分，底部的圆锥部分和上部的圆柱体部分。声准直器400的主要参数有三个：上端口径d1，高度h进而下端口径d2。上端口径d1也就是圆柱体部分的直径，与超声换能器300的底部的内径相匹配，高度h即圆锥体区域的高度，下端口径d2即超声经过声准直器400后出射口的直径大小。上端口径d1大于下端口径d2。
图3是本发明的实施例中的三维移动平台的结构示意图。
如图3所示，三维移动平台200能够在三维空间的三个方向上移动，具有三个移动杆，分别为X方向移动杆21，Y方向移动杆22及Z方向移动杆23，每个移动杆的末端安装有一个用于驱动该移动杆的步进电机24。Z方向移动杆23的一端安装有超声换能器300，另一端安装步进电机24。
步进电机24的移动精度可达到0.01mm，带动超声换能器300移动，保证声准直器400的底部贴紧患者特定脑区的头皮。
图4是本发明的实施例中的基于安卓系统的经颅超声刺激系统的系统结构图。图5是本发明的实施例中的基于安卓系统的经颅超声刺激系统的数据传输关系的示意图。
如图1、4、5所示，经颅超声刺激仪100包括硬件层10、应用层70、系统层80以及驱动层90。
硬件层10包括包括依次通信连接的LCD显示屏11、ARM处理器12、FPGA芯片13以及高压脉冲发射电路14。
在本实施例中，LCD显示屏11采用11寸屏幕，为触摸屏。ARM处理器12采用ARMCortex-A9内核，FPGA芯片13采用Xilinx公司的Spartan系列芯片。
LCD显示屏11与ARM处理器12通过视频总线及eDP接口通信连接，ARM处理器12与FPGA芯片13通过SPI总线通信连接。FPGA芯片13通过串行总线和I/O口与高压脉冲发射电路14通信连接，高压脉冲发射电路14通过BNC线缆15与超声换能器300通信连接。
应用层70为Android应用程序，系统层80为Android系统层。驱动层主要包括SPI驱动程序、GPIO驱动程序和eDP驱动程序。
应用层70运行于Android系统层之上，用于配制超声发射参数和移动参数。Android系统层为Android 8.1版本，通过驱动层90对硬件层10进行控制。
应用层70、系统层80及驱动层90皆运行ARM处理器12之上。系统层80运行通过SPI驱动程序控制FPGA芯片13，通过eDP驱动程序控制LCD显示屏11。
应用层70具有显示在LCD显示屏11上的显示界面，该显示界面具有开始按钮71、停止按钮72、参数输入框73及波形显示部分74。开始按钮71与停止按钮72分别控制超声信号的发射和终止，参数输入框73用于输入超声发送参数及移动参数，波形显示部分74用于显示超声信号的波形。用户通过触摸显示屏对Android应用程序进行操控，实现人机交互功能。
应用层70的显示界面显示在LCD显示屏11上，用户点击开始按钮71或者停止按钮72控制超声信号的发射或者终止，在参数输入框73内输入超声发送参数，例如中心频率、脉冲持续时间、脉冲重复周期、发射电压、刺激时间等。
中心频率的设置范围为0.25MHz-10 MHz，满足低强度经颅超声刺激的频率要求。脉冲持续时间和脉冲重复周期决定了高压脉冲发射电路14的占空比。脉冲持续时间和脉冲重复周期可在Android应用程序上手动输入，占空比0％-100％可调。发射电压决定了发射声功率的大小，发射电压的范围为3.5V-300V。
用户也可以在参数输入框73内输入移动参数例如步长、步数、移动方向和移动速度等来设定三维移动平台的移动方向和距离。
系统层90根据移动参数，通过SPI驱动程序向FPGA芯片13发送移动指令，FPGA芯片13根据移动指令驱动三维移动平台200移动，使声准直器400移动到患者头部的预定位置。
当声准直器400移动到患者头部的预定位置后，系统层90根据超声发射参数，通过SPI驱动程序向FPGA芯片13发送超声发射指令，FPGA芯片13根据超声发射指令产生脉冲控制信号，高压脉冲发射电路14根据脉冲控制信号发射电脉冲信号，超声换能器300将电脉冲信号转换为超声信号，声准直器400引导超声信号并缩小超声信号的聚焦范围。
高压脉冲发射电路14采用LM96551超声波脉冲发射芯片，能提供2A的峰值电流，最大脉冲频率为15MHz，最大输出电压为±500V。高压脉冲发射电路14发射的电脉冲信号为周期性脉冲群。电脉冲信号的波形有多种选择，例如可以为正弦波或者方波。
系统层90还可以通过GPIO驱动程序和外部设备通信，例如SD卡、USB等。
本实施例的一种基于安卓的低强度经颅超声刺激装置和系统的使用流程为：1、用户首先打开经颅超声刺激仪，打开Android应用程序，在界面上配置超声发射参数，包括中心频率、占空比、刺激时间等。2、将超声换能器和声准直器用金属套固定，中间用超声耦合剂填充，并固定在三维移动平台上。3、通过Android应用程序设置三维移动平台的步长、步数、移动方向和移动速度等参数，控制三维移动平台的步进电机移动，使得声准直器底部贴紧患者特定脑区。4、点击Android应用程序的开始发射按钮进行经颅超声刺激。5、刺激结束，关闭经颅超声刺激仪。
实施例的作用与效果
根据本实施例所提供发基于安卓系统的经颅超声刺激装置，用户在LCD显示屏输入超声发射参数及移动参数，ARM处理器根据超声发射参数向FPGA芯片发送超声发射指令，FPGA芯片根据超声发射指令产生脉冲控制信号，高压脉冲发射电路根据脉冲控制信号发射电脉冲信号，超声换能器将电脉冲信号转换为超声信号。因为电脉冲信号为周期性脉冲群，所以超声换能器得到的超声信号也为周期性的。因此，本实施例实现了一种周期可控的脉冲群的发射方式，使得经颅刺激仪能够在发射一定时间的脉冲后，停止发射一段时间，然后再继续发射，与现有的经颅刺激系统相比，能够有效地避免持续的脉冲造成的神经疲劳问题。
另外，用户通过LCD显示屏，可以方便地修改脉冲群的持续时间和间隔等超声参数，方便根据病情的轻重程度进行不同参数的超声刺激。
此外，ARM处理器根据移动参数向FPGA芯片发送移动指令，FPGA芯片根据移动指令驱动三维移动平台，使声准直器精确地移动到患者头部的预定位置，通过声准直器和三维移动平台实现了超声刺激位置的精确可控，根据患者待治疗区域的大小，定制不同类型和尺寸的声准直器，以达到最有效的治疗效果。
在本实施例中，人机交互界面是Android应用程序，用户点击Android应用程序中的开始和停止按钮，可以控制超声激励的发送和中断，也可以通过定时功能来设置超声经颅刺激的时长，同时，为了满足不同程度神经系统疾病患者的治疗需求，本实施例还设置了中心频率、脉冲持续时间、脉冲重复周期、发射电压等参数，用户可以根据具体的情况和场景，设置不同超声发射参数，使经颅超声刺激仪能够在发射一定时间的脉冲后，停止发射一段时间，然后再继续发射，如此往复，从而达到控制占空比和超声刺激时间的目的，有效地避免了治疗过程中的持续的脉冲造成的神经疲劳问题。另外，经颅超声刺激仪的发射波形有多种选择，可以根据需要选择。
在本实施例中，可通过Android应用程序设置三维移动平台的步长、步数、移动方向和移动速度等参数，Android应用程序发送指令给FPGA，驱动电机移动，达到控制三维移动平台的目的。三维移动平台主要部件为步进电机，移动精度可达到0.01mm，开启前用固定装置将超声换能器固定在三维移动平台上，通过Android应用程序移动步进电机，使超声换能器接近患者特定脑区，保证声准直器底部贴紧头皮。
在本实施例中，声准直器成本低廉，制作简单快速，可根据患者的治疗需求，设计不同类型和尺寸的声准直器，以改善治疗效果。
在本实施例中，超声换能器和声准直器通过金属套固定，使用超声耦合剂填充超声换能器和声准直器之间的空腔，排除腔体内的空气，避免因气泡的引入导致超声剧烈衰减。
在本实施例中，中心频率的设置范围为0.25MHz-10MHz，满足低强度经颅超声刺激的频率要求。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于，包括：
应用层、系统层、驱动层、硬件层、三维移动平台、固定在所述三维移动平台上的超声换能器以及固定在所述超声换能器上的声准直器，
其中，所述硬件层包括依次通信连接LCD显示屏、ARM处理器、FPGA芯片以及高压脉冲发射电路，
所述应用层运行于系统层上，具有显示在所述LCD显示屏上的显示界面，该显示界面用于用户输入超声发射参数及移动参数，
所述系统层运行于所述ARM处理器之上，根据所述移动参数向所述FPGA芯片发送移动指令，所述FPGA芯片根据所述移动指令驱动所述三维移动平台，使所述声准直器移动到患者头部的预定位置，
所述系统层根据所述超声发射参数向所述FPGA芯片发送超声发射指令，然后所述FPGA芯片根据所述超声发射指令产生脉冲控制信号，所述高压脉冲发射电路根据所述脉冲控制信号发射所述电脉冲信号，该电脉冲信号为周期性脉冲群，所述超声换能器将所述电脉冲信号转换为超声信号，所述声准直器的底部紧贴在所述患者头部的所述预定位置，引导所述超声信号并缩小所述超声信号的聚焦范围。
2.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述应用层为Android应用程序，所述显示界面具有开始按钮、停止按钮、参数输入框及波形显示部分，
所述开始按钮与所述停止按钮分别控制所述超声信号的发射和终止，所述参数输入框用于输入所述超声发送参数及所述移动参数，所述波形显示部分用于显示所述超声信号的波形，
所述驱动层包括eDP驱动程序和SPI驱动程序，
所述FPGA芯片与所述ARM处理器通过SPI总线通信连接，所述系统层通过所述SPI驱动程序控制所述FPGA芯片，通过所述eDP驱动程序控制所述LCD显示屏。
3.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述超声发射参数包括中心频率、脉冲持续时间、脉冲重复周期、发射电压、刺激时间，
所述中心频率为0.25MHz-10 MHz。
4.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述高压脉冲发射电路与所述FPGA芯片通过串行总线和I/O口通信连接，所述高压脉冲发射电路的占空比由脉冲持续时间和脉冲重复周期决定，范围为0％-100％。
5.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述移动参数包括步长、步数、移动方向和移动速度，
所述三维移动平台的移动精度为0.01mm。
6.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述ARM处理器采用ARM Cortex-A9内核，通过视频总线外接所述LCD显示屏，该LCD显示屏为触摸屏。
7.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述超声换能器为聚焦型或非聚焦型。
8.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述声准直器为上下开口的空心圆锥体结构，上端口径d1，下端口径d2，所述上端口径d1与所述超声换能器的直径相匹配，且大于所述下端口径d2。
9.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述超声换能器通过金属套固定在所述声准直器的顶端，所述声准直器与所述超声换能器之间填满超声耦合剂。
10.根据权利要求1所述的基于安卓系统的经颅超声刺激系统，其特征在于：
其中，所述电脉冲信号为正弦波或者方波。
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