CN114588536A - 经颅直流电刺激闭环系统的头环装置及其检测方法 - Google Patents

经颅直流电刺激闭环系统的头环装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种经颅直流电刺激闭环系统的头环装置以及使用该头环装置检测脑部血氧含量变化的方法。头环装置包括主体部和调节部。主体部上设置有若干用于进行经颅直流电刺激的第一刺激电极和第二刺激电极，每个第一刺激电极周围设有一个或多个第二刺激电极；其中，第一刺激电极包括第一电极本体，第一电极本体上设置有光探测器；第二刺激电极包括第二电极本体，第二电极本体上设置有光源；调节部设置于主体部上且与主体部围合形成环状结构。本发明的头环装置，其将fNIRS与tDCS技术相结合，组成闭环tDCS系统，通过fNIRS监控tDCS刺激效果，可以实现有效监控tDCS刺激过程中的血氧含量变化情况，从而推测出神经信号在tDCS刺激过程中的变化情况。

Description

经颅直流电刺激闭环系统的头环装置及其检测方法
技术领域
本发明是关于医疗器械技术领域，特别是关于一种经颅直流电刺激闭环系统的头环装置及使用该头环装置检测脑部血氧含量变化的方法。
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调控技术，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是神经科学领域一种安全有效的研究工具和干预手段。
功能性近红外光谱技术(functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS)是一种神经记录技术，fNIRS并非直接根据神经活动成像，而是通过测量血氧水平依赖信号产生对比度，间接地反应脑功能活动。
现有的tDCS闭环装置大多数采用tDCS电刺激和EEG脑电图记录相结合的方法，而EEG记录由于是电信号记录，会受到tDCS电刺激的影响。因此，在实验中，常采用先进行EEG信号记录，停止EEG记录后进行tDCS刺激，tDCS刺激结束后再进行EEG记录的方式，这种记录方式不能实现在tDCS刺激的过程中进行神经信号记录，只能在电刺激开始前、结束后进行神经信号记录。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其将fNIRS与tDCS技术相结合，组成闭环tDCS系统，通过fNIRS监控tDCS刺激效果，可以实现有效监控tDCS刺激过程中的血氧含量变化情况，从而推测出神经信号在tDCS刺激过程中的变化情况。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种经颅直流电刺激闭环系统的头环装置包括主体部和调节部。所述主体部上设置有若干用于进行经颅直流电刺激的第一刺激电极和第二刺激电极，每个所述第一刺激电极周围设有一个或多个所述第二刺激电极；其中，所述第一刺激电极包括第一电极本体，所述第一电极本体上设置有光探测器；所述第二刺激电极包括第二电极本体，所述第二电极本体上设置有光源；所述调节部设置于所述主体部上且与所述主体部围合形成环状结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一电极本体和所述第二电极本体上均形成有一端开放设置的容置腔，所述光探测器和所述光源分别设置于所述第一电极本体和所述第二电极本体的容置腔内。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一电极本体和所述第二电极本体呈环状设置，所述容置腔开设于所述第一电极本体和所述第二电极本体中部。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一电极本体和所述第二电极本体上于所述容置腔开放端的一侧设置有导电凝胶。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述导电凝胶部分凸于所述第一电极本体和所述第二电极本体表面。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述调节部与所述主体部所形成的环状结构的大小可调节。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述调节部包括弹性调节带。
本发明的目的在于提供一种采用上述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，包括：
选取其中一个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取其中一个或多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择其中至少一个第二刺激电极或者选择其中多个第二刺激电极组合作为发光电极，第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
本发明的目的在于提供一种采用上述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，包括：
选取其中一个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取围绕该第一刺激电极分布的一个或多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择围绕该第一刺激电极分布的至少一个第二刺激电极或者选择围绕该第一刺激电极分布的多个第二刺激电极组合作为发光电极，第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
本发明的目的在于提供一种采用上述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，包括：
选取其中多个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取其中多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择其中至少一个第二刺激电极或者选择其中多个第二刺激电极组合作为发光电极，多个第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
与现有技术相比，本发明实施方式的头环装置，采用fNIRS与tDCS技术相结合(刺激电极与光源或光探测器的一体化)，组成闭环tDCS系统，通过fNIRS监控tDCS刺激效果，可以实现有效监控tDCS刺激过程中的血氧含量变化情况，从而推测出神经信号在tDCS刺激过程中的变化情况。
本发明实施方式的头环装置，通过环形的刺激电极嵌套光源或光探测器的方式，能将刺激点、记录点统一，对于记录结果的分析更能直接反映对刺激点进行tDCS的变化结果。
本发明实施方式的头环装置，整体装置便携简易，可作为移动式装置，用于研究人体在活动或运动过程中进行tDCS刺激并进行记录相关结果。
本发明实施方式的头环装置，其主体部上通过选择不同距离的第一刺激电极和第二次刺激电极，使得光源(第二次刺激电极)和光探测器(第一次刺激电极)之间的距离是可以根据需求来调整，根据光源和光探测器直接距离的不同，能探测到大脑皮层下活动范围深度的不同。同样根据选择不同距离的第一刺激电极和第二次刺激电极，使得光源(第二次刺激电极)和光探测器(第一次刺激电极)的排列方式不同，可以组成不同的探测通道，从而能在测试中得到多点位的血氧情况。
附图说明
图1是本发明一实施方式的头环装置佩戴示意图；
图2是本发明一实施方式的头环装置上第一刺激电极和第二刺激电极的分布结构示意图；
图3是本发明一实施方式的第一刺激电极或第二刺激电极结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
功能性近红外光谱技术(functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS)由于是采用光学传感的方式，不受tDCS电刺激的影响，可以在tDCS电刺激前、刺激过程中、以及刺激结束后一直监测神经信号的变化，具有全时段监控的优势。
如图1至图3所示，本发明一实施方式提供了一种经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，包括主体部100和调节部200。主体部100上设置有若干用于进行经颅直流电刺激的第一刺激电极110和第二刺激电极120。调节部200设置于主体部100上且与主体部100围合形成环状结构。
主体部100可以为一弧形板状结构，其弧度与人体前额叶的弧度相适配。主体部100也可以为一柔性载体，其可根据受试者的不同前额叶弧度进行灵活调整，使得主体部100上的第一刺激电极110和第二刺激电极120与待测试部位更加贴合。
若干第一刺激电极110分布设置在主体部100上，每个第一刺激电极110的周围设置有一个或多个第二刺激电极120，使得主体部100上第一刺激电极110和第二刺激电极120构成一类似棋盘格的构型。
如图3所示，第一刺激电极110包括第一电极本体111，第一电极本体111呈环状结构设置，第一电极本体111的中部形成有一端开放设置的容置腔130，容置腔130内嵌设有光探测器112。第一电极本体111上于容置腔130开放端的一侧设置有导电凝胶140。导电凝胶140部分凸于第一电极本体111的表面。导电凝胶140和皮肤接触且有粘性，提供第一刺激电极110导电及粘贴在皮肤上功能。
第二刺激电极120可以于第一刺激电机110的构型类似，其包括第二电极本体121，第二电极本体121呈环状结构设置，第二电极本体121的中部形成有一端开放设置的容置腔130，容置腔130内嵌设有光源122。第二电极本体121上于容置腔130开放端的一侧设置有导电凝胶140。导电凝胶140部分凸于第二电极本体121的表面。导电凝胶140和皮肤接触且有粘性，提供第二刺激电极120导电及粘贴在皮肤上功能。
调节部200可以为弹性调节带，其两端均与主体部100的两端固定连接，使得其与主体部100所形成的环状结构的大小可调节。或者，调节部200也可以为无弹性绑带，其上设置有搭扣，可通过搭扣与主体部100之间卡扣连接，同时通过搭扣和绑带之间的绑扎方式调节绑带的长短，以适应不同头围的受试者。
本头环装置用于在前额叶处进行tDCS电刺激(第一第二电极本体)和fNIRS记录(电极本体内的光源和光探测器)，头环装置整体佩戴如图1所示。图1中前额叶处为头环装置的主体部100(tDCS刺激电极、fNIRS记录点光源及光探测器)。图1中后额叶处为头环装置的调节部200(将主体部100固定在前额叶处刺激点用的卡扣或者绑带)，能根据受试者头围大小形状进行灵活调整。
本头环装置在主体部100上的第一刺激电极和第二刺激电极的布置方式如图2所示。其中，其中位置1、2、3、4、8、9、10、11为第二刺激电极，位置5、6、7为第一刺激电极。当位置1、2、5、8、9的5个刺激电极组成电刺激与记录组时：位置5的第一刺激电极作为电刺激的一组电极，位置为1、2、8、9的4个第二刺激电极并联，作为电刺激的另一组电极，能提高电刺激的聚焦性。选择位置为1、2、8、9处任意一个或多个组合作为发光光源，位置5处为光探测器，能在位置5处进行tDCS电刺激时的同时进行神经信号记录。
本发明的另一实施方式提供一种采用上述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，包括：
选取其中一个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取其中一个或多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择其中至少一个第二刺激电极或者选择其中多个第二刺激电极组合作为发光电极，第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
具体的，参考图2所示，选取位置5处的第一刺激电极作为电刺激的一组阳极电极，选取位置4和11处的一个或两个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；选取位置4和11处的一个或两个第二刺激电极作为发光电极，位置5处的第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
本发明的另一实施方式提供一种采用上述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，包括：
选取其中一个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取围绕该第一刺激电极分布的一个或多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择围绕该第一刺激电极分布的至少一个第二刺激电极或者选择围绕该第一刺激电极分布的多个第二刺激电极组合作为发光电极，第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
具体的，参考图2所示，选取位置6处的第一刺激电极作为电刺激的一组阳极电极，选取位置2、3、9、10处的多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；选取位置2、3、9、10处的多个第二刺激电极组合作为发光电极，位置6处的第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
本发明的再一实施方式提供一种采用上述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，包括：
选取其中多个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取其中多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择其中至少一个第二刺激电极或者选择其中多个第二刺激电极组合作为发光电极，多个第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
具体的，参考图2所示，选取位置5、6、7处的第一刺激电极作为电刺激的一组阳极电极，选取位置1、2、3、4、8、9、10、11处的多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；选取位置1、2、3、4、8、9、10、11处的多个第二刺激电极组合作为发光电极，位置5、6、7处的第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
与现有技术相比，本发明实施方式的头环装置，采用fNIRS与tDCS技术相结合(刺激电极与光源或光探测器的一体化)，组成闭环tDCS系统，通过fNIRS监控tDCS刺激效果，可以实现有效监控tDCS刺激过程中的血氧含量变化情况，从而推测出神经信号在tDCS刺激过程中的变化情况。
本发明实施方式的头环装置，通过环形的刺激电极嵌套光源或光探测器的方式，能将刺激点、记录点统一，对于记录结果的分析更能直接反映对刺激点进行tDCS的变化结果。
本发明实施方式的头环装置，整体装置便携简易，可作为移动式装置，用于研究人体在活动或运动过程中进行tDCS刺激并进行记录相关结果。
本发明实施方式的头环装置，其主体部上通过选择不同距离的第一刺激电极和第二次刺激电极，使得光源(第二次刺激电极)和光探测器(第一次刺激电极)之间的距离是可以根据需求来调整，根据光源和光探测器直接距离的不同，能探测到大脑皮层下活动范围深度的不同。同样根据选择不同距离的第一刺激电极和第二次刺激电极，使得光源(第二次刺激电极)和光探测器(第一次刺激电极)的排列方式不同，可以组成不同的探测通道，从而能在测试中得到多点位的血氧情况。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，包括：
主体部，所述主体部上设置有多个用于进行经颅直流电刺激的第一刺激电极和第二刺激电极，每个所述第一刺激电极周围设有一个或多个所述第二刺激电极；其中，所述第一刺激电极包括第一电极本体，所述第一电极本体上设置有光探测器；所述第二刺激电极包括第二电极本体，所述第二电极本体上设置有光源；和
调节部，所述调节部设置于所述主体部上且与所述主体部围合形成环状结构。
2.如权利要求1所述的经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，所述第一电极本体和所述第二电极本体上均形成有一端开放设置的容置腔，所述光探测器和所述光源分别设置于所述第一电极本体和所述第二电极本体的容置腔内。
3.如权利要求2所述的经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，所述第一电极本体和所述第二电极本体呈环状设置，所述容置腔开设于所述第一电极本体和所述第二电极本体中部。
4.如权利要求2所述的经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，所述第一电极本体和所述第二电极本体上于所述容置腔开放端的一侧设置有导电凝胶。
5.如权利要求4所述的经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，所述导电凝胶部分凸于所述第一电极本体和所述第二电极本体表面。
6.如权利要求1所述的经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，所述调节部与所述主体部所形成的环状结构的大小可调节。
7.如权利要求6所述的经颅直流电刺激闭环系统的头环装置，其特征在于，所述调节部包括弹性调节带。
8.一种采用权利要求1～7任一所述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，其特征在于，包括：
选取其中一个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取其中一个或多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择其中至少一个第二刺激电极或者选择其中多个第二刺激电极组合作为发光电极，第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
9.一种采用权利要求1～7任一所述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，其特征在于，包括：
选取其中一个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取围绕该第一刺激电极分布的一个或多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择围绕该第一刺激电极分布的至少一个第二刺激电极或者选择围绕该第一刺激电极分布的多个第二刺激电极组合作为发光电极，第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
10.一种采用权利要求1～7任一所述的头环装置检测脑部血氧含量变化的方法，其特征在于，包括：
选取其中多个第一刺激电极，作为电刺激的一组阳极电极，选取其中多个第二刺激电极并联，作为电刺激的一组阴极电极，形成经颅直流电刺激闭环回路；
选择其中至少一个第二刺激电极或者选择其中多个第二刺激电极组合作为发光电极，多个第一刺激电极作为检测电极，在第一刺激电极位置处进行tDCS电刺激时的同时进行脑部血氧含量变化的检测。
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