CN114209957A - 一种用于改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其为一种头戴式的便携磁声刺激康复辅具，包括线圈、扬声器、头套、电源、电压变换器、继电器、控制器、音频模块、线缆、束带。该系统产生γ频段的阈下低强度脉冲磁场和θ频段调制的声音信号，相比单一的磁刺激，磁声耦合可提高神经调控的有效性。低强度的脉冲磁场作用于额叶，低频调制的声音信号作用于颞叶，磁刺激和声刺激协同调节神经活动，增强患者被抑制的γ频段的脑电信号，使θ频段的脑电活动恢复正常，从而改善认知障碍。本发明可由患者独立或在他人帮助下使用，解决了患者就医不便的问题，是实现安全、高效、便携、可穿戴的家庭护理新技术和新装置。
Description
技术领域
本发明属于神经调控技术、磁声刺激技术和可穿戴康复治疗系统领域，具体涉及一种用于改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置。
背景技术
随着我国人口老龄化程度的加深，患有老年认知障碍人群的数量不断增加，给家庭和社会都带来了严重的负担。老年认知障碍患者在认知相关脑区的脑电活动受到抑制，通过对人脑施加电、磁、光、声等物理因子的刺激进行神经调控，可以激活并加强被抑制的脑电活动。老年认知障碍的具体表现有轻度认知障碍和阿尔茨海默症，研究表明，患有轻度认知障碍患者在θ频段的脑电活动发生改变，阿尔茨海默症的患者在与学习记忆相关的γ频段的脑电活动被抑制。基于以上原理，采用θ频段和γ频段的信号对认知相关脑区进行刺激，进而激活受到抑制的γ频段的脑电活动，令被改变的θ频段的脑电活动恢复正常，达到改善老年认知障碍的效果。
在针对老年认知障碍进行治疗的电、磁、光、声等刺激的设备中，电刺激在对应的位置植入电极，需要医生操作并存在创伤，而光刺激同样也存在光纤植入的问题。磁刺激和声刺激的使用是无创的，目前临床中已经采用经颅磁刺激对精神和神经类疾病进行治疗，但是单一的磁刺激只能刺激到皮层，调控相对浅表的神经活动，而声刺激可以调控到大脑深部丘脑和内侧颞叶之间海马体的神经活动。为了进一步提高神经调控有效性，有一些装置采用磁声结合或应用多物理因子刺激，比如，中国发明申请CN113101524A(一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置)采用高强度的磁刺激和聚焦超声刺激，但由于刺激强度高，需要专业人士的指导和操作；中国发明申请CN113144437A(一种改善阿尔茨海默症认知功能的声光治疗设备)针对阿尔茨海默症，采用声光刺激，使用场景为医院或康复中心，二者均无法实现可穿戴和家用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激系统，其采用低强度的特定脑区脉冲调制磁声刺激方法，结合γ频段的脉冲磁场和θ频段调制的声音信号，提高神经调控的有效性，同时改善恢复病理抑制的认知相关脑电信号。
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可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，包括线圈、扬声器、头套、电源、控制系统、线缆和束带；其中，所述控制系统包括电压变换器、继电器、控制器和音频模块；所述线圈为2个圆形柔性线圈，分布于头部额叶两侧，所述扬声器为2个分布于双耳外侧颞叶的圆形超薄扬声器；所述线圈和扬声器都安装在所述头套内侧的凹槽内；所述电源与所述电压变换器连接，所述电压变换器与所述继电器连接，所述线圈与所述继电器连接，所述扬声器与所述音频模块连接，所述控制器与所述电压变换器、继电器和音频模块连接；所述电源用于供电，所述线圈和扬声器通过所述线缆和所述控制系统连接；所述电源和控制系统在所述束带的固定下，使得患者随身携带所述可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置；所述线圈在额叶产生低强度的脉冲磁场，所述扬声器在颞叶发出低频调制的声音信号，对佩戴所述头套的患者同时进行阈下磁刺激和声刺激。
进一步地，所述可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置通过低强度的γ频段脉冲磁场和θ频段调制的声音信号的耦合，加强患者受抑制的γ频段的脑电活动，使θ频段的脑电活动恢复正常。
进一步地，所述束带为方便抓握的绑带。
进一步地，所述音频模块(8)集成在所述控制器中。
进一步地，所述电源为可充电的镍镉、镍氢、锂离子或铅蓄电池；所述电压变换器为DC-DC变换器；所述继电器为电磁继电器或固态继电器；所述控制器为具有单片机或嵌入式微处理器的微控制器，具备串口通信的功能；所述音频模块为支持串口控制、可产生声音驱动信号并控制音量大小的语音芯片或语音播放模块。
进一步地，所述控制器控制调节所述电压变换器的输出电压，使所述线圈的电流增大或减小，产生0～10mT的磁场；所述控制器控制所述继电器的通断时间从而产生占空比可控的范围为30Hz～80Hz的γ频段的脉冲信号，控制所述线圈产生范围为30Hz～80Hz的γ频段的脉冲磁场。
进一步地，所述音频模块产生20Hz～20kHz的声音驱动信号，并调节音量大小，同时控制所述声音驱动信号的通断，生成范围为4Hz～8Hz的θ频段的调制的声音驱动信号，驱动所述扬声器发出范围为4Hz～8Hz的θ频段的调制的声音信号。
进一步地，所述控制器控制所述继电器和音频模块，使所述扬声器在颞叶施加的声刺激与所述线圈在额叶施加的磁刺激保持同步与协调，实现磁刺激和声刺激协同调控神经活动。
有益效果：
针对老龄化社会老年认知障碍数量日益增加的现状，本发明的用于改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激系统，通过脉冲调制的磁场和声音信号对患者的特定脑区进行神经调控，增强患者被抑制的γ频段的脑电信号，使θ频段的脑电信号恢复正常而提供一种改善老年认知障碍的康复辅具。
本发明的磁刺激的刺激深度较浅仅作用于额叶脑区的皮层，可激活患者被抑制的γ频段的脑电信号；声刺激的刺激深度较深作用于颞叶脑区可达海马体，使患者被改变的θ频段脑电信号趋于正常。依据神经易化和同步的特点，当额叶的磁刺激和颞叶的声刺激同时进行而保持同步和协调时，可以进一步增强并恢复患者认知相关脑区的脑电信号，提高神经调控的有效性。
本发明提出的基于可穿戴式脉冲调制磁声刺激技术的实施方案和装置设计，为无创舒适的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，解决了患者就医不便的问题，实现无创、舒适、安全、便携的家庭护理，改善老龄化社会逐渐增加的老年认知障碍症状，具有重要的社会价值和科技应用价值。
附图说明
图1是本发明可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置模型图；
图2是本发明可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置的控制原理图；
图3是本发明可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置在大脑径向对皮层刺激的磁场分布图；
图4是本发明可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置在大脑径向对皮层刺激的磁场强度；
图中：1线圈，2扬声器，3头套，4电源，5电压变换器，6继电器，7控制器，8音频模块，9线缆，10束带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：
本发明的一种改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，主要包括：线圈1、扬声器2、头套3、电源4、电压变换器5、继电器6、控制器7、音频模块8、线缆9和束带10。所述线圈1在特定脑区产生γ频段的脉冲磁场，所述扬声器2在颞叶生成θ频段调制的声学信号，提高调控有效性，增强患者被抑制的γ频段的脑电活动，使θ频段的脑电活动趋于正常，改善老年认知障碍。
本发明的改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置模型图如图1所示，所述线圈1为直径50mm、厚3mm的一对圆形柔性线圈，分布于头部额叶两侧。所述扬声器2为两个直径为40mm、厚3mm的圆形超薄扬声器，分布在双耳外侧。所述线圈1和扬声器2均安装在所述头套3的凹槽内，由所述电源4进行供电。所述线圈1和扬声器2通过所述线缆9和控制系统连接。所述控制系统包括所述电压变换器5、继电器6、控制器7和音频模块8。所述控制系统可结合所述束带10实现随身携带。其中所述线圈1对额叶产生脉冲调制磁场，所述扬声器2对颞叶发出低频调制的声音信号，对佩戴头套的患者施加耦合的阈下磁刺激和声刺激，实现γ频段的脑电活动增强的同时使θ频段的脑电活动趋于正常。
本发明的改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置的控制原理图如图2所示，所述电源4与电压变换器5连接，所述电压变换器5与继电器6连接，所述线圈1与所述继电器6连接，所述控制器7与所述电压变换器5和继电器6连接，所述音频模块8集成在所述控制器7中。通过所述控制器7控制所述继电器6的通断时间，在所述线圈1中产生频率可调的脉冲磁场，所述控制器7通过串口通信所述控制音频模块8调节声音驱动信号的通断，所述声音驱动信号驱动所述扬声器2发出低频调制的声音信号。通过所述控制器7控制所述电压变换器5向所述线圈1输出可调的电压电流，进而产生0-10mT的磁场，另外所述控制器7控制所述音频模块8调节音量大小，保证磁刺激的安全性和声刺激的舒适度。所述电源4可选取镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄等电池，所述电压变换器5选取DC-DC变换器，所述继电器6选取电磁继电器或固态继电器，所述控制器7选取具有单片机或嵌入式微处理器的微控制器，具备串口通信的功能。所述音频模块8选择可集成在所述控制器7中的语音芯片或语音播放模块，支持串口控制；其可产生声音驱动信号以驱动所述扬声器2发出声音信号并调节音量大小。
本发明的工作过程如下：
所述控制器7控制所述继电器6的通断时间，产生占空比可控的γ频段(30Hz～80Hz)的脉冲信号，使所述线圈1产生γ频段的脉冲磁场，同时所述控制器7控制所述电压变换器5的输出电压和电流可调，产生较低强度的0-10mT的脉冲磁刺激，保证磁刺激的安全性。所述音频模块8可产生20Hz～20kHz的声音驱动信号，所述控制器7通过串口通信控制所述音频模块8，控制其产生θ频段调制的声音驱动信号，驱动扬声器2发出θ频段调制的声音信号，所述音频模块8还可以调节音量大小，每位患者对音量的接受程度不同，通过调整保证声音信号的舒适度。所述控制器7控制所述继电器6和所述音频模块8，使所述扬声器2在颞叶施加的声刺激与所述线圈1在额叶施加的磁刺激保持同步与协调，实现二者协同作用调控神经活动。
具体的，使用直径为1mm的铜线绕制所述线圈1，所述线圈1的外直径为50mm，内直径为10mm，截面积为20mm×3mm，匝数为60匝。1个线圈1的重量为39.5g，则两个线圈1的重量为79g。所述扬声器2的重量可以忽略不计，患者在使用过程中大脑不会受到重压，感觉比较舒适。
出于安全性考虑，同时避免发热带来的不适感，导线电流密度选择2A/mm2，即导线中的平均电流为π×(1/2)2mm2×2A/mm2＝1.57A。选择γ频段的50Hz作为脉冲磁场频率(周期0.02s)，占空比20％，相比平均电流，脉冲电流可达1.57A/20％＝7.85A。1个线圈1的电阻约0.12Ω，电压为7.85A×0.12Ω＝0.942V，则1个线圈在1小时内耗能7.85A×0.942V×1h×20％≈1.48Wh。另外，扬声器2的功率为1W，调制信号占空比为20％，1小时耗能1W×1h×20％＝0.2Wh。使用规格12V-10Ah的锂电池(120Wh)，其尺寸为88mm×55mm×68mm，重量为518g，当2个线圈1同时工作时，装置的工作时长为120Wh/(1.48×2+0.2)W＝37.74h。本装置可实现便携，并在长时间下对患者同时进行磁声刺激，患者在使用过程中可进行移动。
在线圈1匝数为60，截面积3mm×20mm，线圈直径50mm的条件下，通过分析计算得到线圈1的1个线圈在大脑皮层产生径向磁场平面如图3所示，大脑皮层径向的磁感应强度大小如图4所示，可以看出大脑皮层处的磁场最大约2.67mT。若需增大磁场强度，可以通过控制器7控制电压变换器5输出更高电压，增大线圈电流，产生更大的脉冲磁场。
在本发明中没有详细说明的内容是本领域的技术人员公知的方法和技术。本发明描述了一种特定的实现案例，并不限制该案例为本发明唯一的实现方式。任何熟知本领域的技术人员在本发明基础上，对本发明提出修改或变形的实现案例，均属于本发明技术方案内的改动，应归为本发明权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于改善老年认知障碍的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：包括线圈(1)、扬声器(2)、头套(3)、电源(4)、控制系统、线缆(9)和束带(10)；其中，所述控制系统包括电压变换器(5)、继电器(6)、控制器(7)和音频模块(8)；所述线圈(1)为2个圆形柔性线圈，分布于头部额叶两侧，所述扬声器(2)为2个分布于双耳外侧颞叶的圆形超薄扬声器；所述线圈(1)和扬声器(2)都安装在所述头套(3)内侧的凹槽内；所述电源(4)与所述电压变换器(5)连接，所述电压变换器(5)与所述继电器(6)连接，所述线圈(1)与所述继电器(6)连接，所述扬声器(2)与所述音频模块(8)连接，所述控制器(7)与所述电压变换器(5)、继电器(6)、音频模块(8)连接；所述电源(4)用于供电，所述线圈(1)和扬声器(2)通过所述线缆(9)和所述控制系统连接；所述电源(4)和控制系统在所述束带(10)的固定下，使得患者随身携带所述可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置；所述线圈(1)在额叶产生低强度的脉冲磁场，所述扬声器(2)在颞叶发出低频调制的声音信号，对佩戴所述头套(3)的患者同时进行阈下磁刺激和声刺激。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置通过低强度的γ频段脉冲磁场和θ频段调制的声音信号的耦合，加强患者受抑制的γ频段的脑电活动，并使θ频段的脑电活动恢复正常。
3.根据权利要求1所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述束带(10)为方便抓握的绑带。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述音频模块(8)集成在所述控制器(7)中。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述电源(4)为可充电的镍镉、镍氢、锂离子或铅蓄电池；所述电压变换器(5)为DC-DC变换器；所述继电器(6)为电磁继电器或固态继电器；所述控制器(7)为具有单片机或嵌入式微处理器的微控制器，具备串口通信的功能；所述音频模块(8)为支持串口控制、可产生声音驱动信号并控制音量大小的语音芯片或语音播放模块。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述控制器(7)控制调节所述电压变换器(5)的输出电压，使所述线圈(1)的电流增大或减小，产生0～10mT的磁场；所述控制器(7)控制所述继电器(6)的通断时间从而产生占空比可控的、范围为30Hz～80Hz的γ频段的脉冲信号，控制所述线圈(1)产生范围为30Hz～80Hz的γ频段的脉冲磁场。
7.根据权利要求5所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述音频模块(8)产生20Hz～20kHz的声音驱动信号，并调节音量大小，同时控制所述声音驱动信号的通断，生成范围为4Hz～8Hz的θ频段的调制的声音驱动信号，驱动所述扬声器(2)发出范围为4Hz～8Hz的θ频段的调制的声音信号。
8.根据权利要求1所述的可穿戴式脉冲调制磁声刺激装置，其特征在于：所述控制器(7)控制所述继电器(6)和音频模块(8)，使所述扬声器(2)在颞叶施加的声刺激与所述线圈(1)在额叶施加的磁刺激保持同步与协调，实现磁刺激和声刺激协同调控神经活动。
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