CN113413546A - 一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统，主要形态是帽式的可穿戴便携磁刺激康复辅具，包含柔性线圈(1)、帽具(2)、充电电源(3)、电压变换器(4)、继电器(5)和控制器(6)。该穿戴式功能磁刺激系统可产生γ频段的阈下较低强度的方波脉冲磁场，用以谐振增强认知障碍患者受抑制的γ脑电波信号，随之实现改善大脑学习记忆等认知功能，缓解认知障碍病症。同时本发明可以有效针对解决认知障碍病患医疗配合度明显降低的问题，实现无创、安全、便携式认知障碍患者临床治疗和家庭护理的新技术和新发明设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统，可用于调控患者全脑的目的频段脑电波信号，特别是应用于改善补偿老年认知障碍个体脑电信号的病理性抑制，从而缓解改善认知障碍脑功能病症的穿戴式磁刺激康复辅具。本发明涉及神经调控技术、电磁刺激技术和可穿戴康复治疗系统领域。
背景技术
目前老年化社会的脑认知障碍人群数量不断增加，造成严重的社会负担。
老年痴呆是老年认知障碍病症的典型分类之一，目前临床治疗药物，如针对神经回路抑制的胆碱酯酶抑制剂和谷氨酸受体拮抗剂，其效果有限，并有不良反应，亟需研发新的治疗方法。该类病患的一个明显病理特征是脑电波信号病理性异常，常表现为脑电低频段增强，而高频段特别是γ脑电振荡(30-80Hz)被抑制。而γ振荡是大脑清醒状态下关注于某物体时脑电的特异表现，与高级认知功能和知觉密切相关。研究表明利用γ节律的外源物理因子刺激，如40Hz光学、声学信号都能成功激活认知障碍病理模式动物脑电γ振荡，并提高其相应的学习记忆等脑认知功能。
外源电磁场对脑电具有明显调控作用。基于电磁场对脑电信号调节的机制原理，构建能有效激活γ振荡的特殊磁场，可有效改善甚至治疗认知功能障碍病症。目前较高强度的经颅磁刺激应用于疾病康复治疗仍存在一定风险性和副作用。
具体分析，现有针对大脑功能改善的多数涉及经颅磁刺激设备，施加的刺激磁场是低频高强度的脉冲磁刺激，为了实现对于深部脑功能核团及脑网络的刺激，常采用八字线圈用以提高大脑特定功能脑区的刺激深度和精度。同时为了有效激活深部神经元，常见经颅磁刺激所应用的磁场强度可高达1-2T量级，故而磁场发生装置体量庞大，并且也存在诱发癫痫、皮肤烧灼等不良反应和安全性问题，电磁刺激操作过程需要临床医生密切关注。以上造成经颅磁刺激治疗仪难以实现可穿戴便携移动功能。另外，大多穿戴式神经功能调控相关专利多采用电刺激模式，如CN206492111U(可穿戴式脑功能调控系统)，然而电刺激的穿透深度有限，其有效作用范围和效果较为局限。可穿戴的磁刺激装备专利中，CN109125883A(一种基于经颅磁刺激的可穿戴助眠设备)使用单一线圈作用于后脑用以调控睡眠功能，实例磁场强度达到1Hz，1.5T，仍属于高强度经颅磁刺激，需要另外加设冷却系统；专利CN109529197A(一种具有预防治疗老年痴呆症效果的物联网帽子)也是将8字磁刺激线圈固定在大脑前额叶皮层附近，通过电容充放电方式产生5-25Hz脉冲磁场，以上均无法实现全脑范围的程序化磁刺激，也难以有效调控认知功能相关的高频段脑电信号，因而不具备通过调控整个大脑γ脑电波节律信号进而改善认知障碍的功能。
针对上述问题，结合脑电γ振荡有效激活是老年认知障碍功能改善的治疗策略，低强度的低频脉冲磁场对脑电信号类型和频谱特性具有显著的调控作用，并在物理治疗认知障碍患者病症方面具有明显优势和更好安全性。本发明研发无创舒适的可穿戴式功能磁刺激技术和设备，针对老年化社会认知障碍人群数量日益增加的现状，以及认知障碍患者医疗配合度明显降低的问题，本发明提供一种新型无创、舒适的可穿戴式功能磁刺激技术，用于调控大脑功能改善认知障碍病症，具有重要的产业经济价值和科技应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对克服高强度经颅磁刺激系统体量庞大，无法实现便携移动的缺陷，同时避免高强度磁刺激诱发癫痫、烧灼等不良反应和安全性问题，基于外源γ节律物理因子可有效激活增强全脑脑电γ振荡缓解改善认知障碍基础原理之上，提出一种低强度的全脑功能磁刺激方法实施脑功能调控，利用γ节律频段的方波脉冲磁刺激技术激活患者受到病理抑制的大脑认知功能相关γ脑电波信号，同时提出头部可穿戴式的磁刺激实施方案和装置设计，可以有效针对解决认知障碍病患医疗配合度明显降低的问题，实现无创、舒适、便携的临床治疗和家庭护理策略和装备，改善老年化社会逐渐增加的认知障碍病患学习记忆等脑认知功能障碍症状。本发明提供一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统。
为实现以上目的，本发明的通过以下设计来实现：
一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统，包括柔性线圈1、帽具2、充电电源3、电压变换器4、继电器5和控制器6。其中柔性线圈1在中心区域产生γ频段的阈下较低强度的方波脉冲磁场，用以谐振增强认知障碍患者受抑制的γ脑电波信号，随之实现改善大脑学习记忆等认知功能，缓解认知障碍病症。
其中柔性线圈1为一组分布于头部两侧的亥姆霍兹线圈，线圈尺寸满足头部模型两侧大小，分布在帽具2的耳朵位置两侧，线圈安装在帽具2内侧的凹槽内；使得柔性线圈1能够有效固定限位。柔性线圈1通过线缆和供电系统连接，供电系统包括充电电源3、电压变换器4、继电器5和控制器6。供电系统结合柔性束带实现患者的随身携带与移动。其中柔性线圈1在中心区域产生复合叠加磁场，用以对佩戴帽具患者大脑进行全脑的阈下功能磁刺激，实现全脑范围的目的频率脑电波信号谐振增强。
充电电源3与电压变换器4连接，电压变换器4与继电器5连接，柔性线圈1与继电器5连接，控制器6与电压变换器4和继电器5连接。
充电电源3选取镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、铅蓄电池、铁锂电池或超级电容器。电压变换器4选取变压器DC-DC变换器或二极管自举DC-DC变换器，继电器5选取固态继电器、磁控继电器或可控硅，控制器6选取单片机或嵌入式微处理器。
磁场发生装置的脉冲磁场实现方法为：
通过控制器6控制电压变换器4和继电器5，使得充电电源3的输出电流大小和输出时间可控，从而在帽具2中央空间产生水平方向的幅值、频率、占空比等参数可调的方波脉冲磁场。
通过控制器6控制继电器5的通断时间，使得方波脉冲磁场频率(f＝1/T，T为周期)在3Hz～80Hz范围内可调，主要工作频段30Hz～60Hz，为脑认知功能相关脑电波γ节律的主要频段。同时可以控制方波脉冲磁场的持续时间τ，使得占空比(τ/T)在0-50％范围内可调。
通过控制器6控制电压变换器4使得柔性线圈1的电压上升或下降，从而导致电流变大或变小，最终使得磁场强度在0-5mT范围可调；进行较低强度的脉冲磁刺激，保证全脑功能磁刺激的安全性。
穿戴式功能磁刺激系统的工作模式是连续式的或者断续式的；断续式模式即为系统工作一段时间，停止一段时间，然后再继续工作，如此循环，这种模式可以延长系统的穿戴工作时长。
附图说明
图1是本发明穿戴式功能磁刺激系统模型图；
图2是本发明穿戴式功能磁刺激系统的控制原理图；
图3是本发明穿戴式功能磁刺激系统半平面磁场仿真图；
图4是本发明穿戴式功能磁刺激系统水平轴线上磁场分布图；
图5是本发明穿戴式功能磁刺激系统中心竖直线上磁场分布图。
图中：1柔性线圈，2帽具，3充电电源，4电压变换器，5继电器，6控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：
本发明基于外源γ节律物理因子可有效激活增强全脑脑电γ振荡缓解改善认知障碍基础原理之上，提出一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统，主要包括：柔性线圈1、帽具2、充电电源3、电压变换器4、继电器5和控制器6。本发明可以有效针对解决认知障碍病患医疗配合度明显降低的问题，实现无创、舒适、便携的临床治疗和家庭护理策略和装备。其中柔性线圈1在中心区域可产生γ频段的阈下较低强度的方波脉冲磁场，用以谐振增强认知障碍患者受抑制的γ脑电波信号，随之实现改善大脑学习记忆等认知功能，缓解认知障碍病症。
穿戴式功能磁刺激系统模型图如图1所示，柔性线圈1由一对直径120mm的圆型亥姆霍兹线圈组成，安装在帽具2的左右两侧距离为150mm，柔性线圈1的中心轴线与帽具2的左右两侧连线平行。柔性线圈1尺寸满足一般头部模型两侧大小，分布在帽具2的耳朵位置两侧，线圈安装在帽具2内侧的凹槽内，使得柔性线圈1能够有效固定限位。柔性线圈1通过线缆和供电系统连接，供电系统包括充电电源3、电压变换器4、继电器5和控制器6。供电系统可结合柔性束带实现患者的随身携带与移动。其中柔性线圈1在中心区域产生复合叠加磁场，用以对佩戴帽具患者大脑进行全脑的阈下功能磁刺激，实现全脑范围的目的频率脑电波信号谐振增强。
穿戴式功能磁刺激系统的控制原理图如图2所示，充电电源3与电压变换器4连接，电压变换器4与继电器5连接，柔性线圈1与继电器5连接，控制器6与电压变换器4和继电器5连接。通过控制器6控制继电器5的通断时间，使得方波脉冲磁场频率(f＝1/T，T为周期)在3Hz～80Hz范围内可调，主要工作频段30Hz～60Hz，为脑认知功能相关脑电波γ节律的主要频段。同时可以控制方波脉冲磁场的持续时间τ，使得占空比(τ/T)在0-50％范围内可调。通过控制器6控制电压变换器4使得柔性线圈1的电压上升或下降，从而导致电流变大或变小，最终使得磁场强度在0-5mT范围可调，进行较低强度的脉冲磁刺激，保证全脑功能磁刺激的安全性。充电电源3选取锂电池，电压变换器4选取DC-DC变换器，继电器5为固态继电器(可减少系统噪音，提高佩戴舒适度)，控制器6选取单片机。
本发明的工作过程如下：
这里举一个模拟仿真的实例。
选用1mm直径漆包线，瞬时电流1A，线圈匝数为100匝，此时柔性线圈1的安匝数为100，截面积为5mm×20mm，单线圈重量大约266g，佩戴基本没有重压感，此时线圈电阻约2Ω，线圈两端电压为2V。方波脉冲磁场的持续时间τ为5ms，周期T为25ms，频率f为40Hz，即占空比(τ/T)为20％时，平均功率为1A×2V×20％＝0.4W。使用规格12V-10Ah的锂电池(120Wh)，其体积110mm×36mm×49mm，重量为605g，连续工作时长为120Wh/0.4W＝300h。如果线圈工作10分钟，休息10分钟的情况下，系统可工作600小时。当方波脉冲磁场的占空比提高到50％时，系统可以连续工作120小时。以上可实现可移动、便携式的长时间磁刺激处理，而不会受固定电源系统的位置局限。
根据柔性线圈1的安匝数100，截面积5mm×20mm，线圈直径120mm和线圈距离150mm的条件，通过分析计算得到穿戴式功能磁刺激系统半平面磁场仿真结果如图3所示，此时水平轴线上磁场分布图如图4所示，中心竖直线上磁场分布图如图5所示。从中可以看出柔性线圈1的中心磁场为1mT。同理可以得到电流为5A时，安匝数为500，中心磁场为5mT。占空比保持20％不变，此时柔性线圈1的平均功率为5A×10V×20％＝10W，连续工作时长为120Wh/10W＝12h，如果按照工作10分钟休息10分钟的模式，系统仍然可以工作24小时。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于改善老年认知障碍的穿戴式功能磁刺激系统，其特征在于，包括柔性线圈(1)、帽具(2)、充电电源(3)、电压变换器(4)、继电器(5)和控制器(6)；其中柔性线圈(1)在中心区域产生γ频段的阈下方波脉冲磁场，用以谐振增强认知障碍患者受抑制的γ脑电波信号，随之实现改善大脑学习记忆等认知功能，缓解认知障碍病症。
2.按照权利要求1所述的穿戴式功能磁刺激系统，其特征在于，柔性线圈(1)为一组分布于头部两侧的亥姆霍兹线圈，线圈尺寸满足头部模型两侧大小，分布在帽具(2)的耳朵位置两侧，线圈安装在帽具(2)内侧的凹槽内；柔性线圈(1)通过线缆和供电系统连接，供电系统包括充电电源(3)、电压变换器(4)、继电器(5)和控制器(6)；供电系统结合柔性束带实现患者的随身携带与移动。
3.按照权利要求1所述的穿戴式功能磁刺激系统，其特征在于，充电电源(3)与电压变换器(4)连接，电压变换器(4)与继电器(5)连接，柔性线圈(1)与继电器(5)连接，控制器(6)与电压变换器(4)和继电器(5)连接。
4.按照权利要求1所述的穿戴式功能磁刺激系统，其特征在于，充电电源(3)选取镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、铅蓄电池、铁锂电池或超级电容器；电压变换器(4)选取变压器DC-DC变换器或二极管自举DC-DC变换器，继电器(5)选取固态继电器、磁控继电器或可控硅，控制器(6)选取单片机或嵌入式微处理器。
5.按照权利要求1所述的穿戴式功能磁刺激系统，其特征在于，穿戴式功能磁刺激系统的控制原理为：通过控制器(6)控制继电器(5)的通断时间，使得方波脉冲磁场频率(f＝1/T，T为周期)在3Hz～80Hz范围内可调，主要工作频段30Hz～60Hz，为脑认知功能相关脑电波γ节律的主要频段；同时可以控制方波脉冲磁场的持续时间τ，使得占空比(τ/T)在0-50％范围内可调；通过控制器(6)控制电压变换器(4)使得柔性线圈(1)的电压上升或下降，从而导致电流变大或变小，最终使得磁场强度在0-5mT范围可调。
6.按照权利要求1所述的穿戴式功能磁刺激系统，其特征在于，穿戴式功能磁刺激系统的工作模式是连续式的或者断续式的；断续式模式即为系统工作一段时间，停止一段时间，然后再继续工作，如此循环，这种模式可以延长系统的穿戴工作时长。
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