CN115887911A - 一种具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置，包括：控制器、电刺激输入组件、非电物理刺激输入组件和刺激感应组件，所述电刺激输入组件包括电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极，所述刺激感应组件包括生物反馈脑电极和生物反馈信号采集放大器及传感器模块。通过上述方式，本发明所述的具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置，形成经颅电刺激感应反馈调整回路，提升了电结合非电物理刺激神经调控的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及神经调控技术领域，特别是涉及一种具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置。
背景技术
经颅电刺激是无创神经调控的一种重要方法，通过将经颅直流电刺激tDCS或经颅交流电刺激tACS的刺激电流输入浅脑区皮层，将激发神经系统的大量神经元产生电兴奋而放电发生激发电流，这些激发电流与输入的刺激电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加后的总电流值可能存在超出脑神经安全（导致神经功能异常和/或神经受到不可逆损坏）电流阈值的风险，具有一定的安全隐患。
申请号为202210746805.5的发明专利申请中公开了一种多模式深脑电刺激精准神经调控系统及方法，采用电刺激+脑电采集+滤波器处理同步工作模式、脑电采集/电刺激+滤波器处理异步工作模式，这两种刺激反馈检测模式，使得用于制定决策的脑电采集终端在整个刺激过程都参与到工作；从而实现了系统的自适应监测与刺激调节，保证了刺激功能的有效性与准确性。其在刺激终端向颅内发送刺激信号时，脑电采集终端也在实时监测颅内脑电信号变化情况。对于采集到的脑电信号由于会受到部分刺激信号的影响，系统所设计的滤波器将有效的剔除刺激信号的干扰，将脑电信号提取出来，从而避免刺激信号对刺激方案的制定造成影响，但是并没有考虑到物理刺激所激发电流与刺激电流叠加后的总电流安全问题和脑神经网络内生振荡影响问题，特别是电刺激与其他非电物理刺激协同进行神经调控而诱发生物电时的脑神经总电流安全问题，更没有总电流超出脑神经安全电流阈值后的解决方案，需要进行改进。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置，形成经颅电刺激和脑电感应回路，进行电刺激神经调控，并提升电刺激与其他非电物理刺激协同工作时的操作安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，包括：控制器、电刺激输入组件、非电物理刺激输入组件和刺激感应组件，所述电刺激输入组件包括电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极，所述控制器与电刺激信号发生器相连接，实时进行电刺激信号的控制，所述电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极依次串联，通过电刺激电极输出电流，经颅电刺激皮层，所述电刺激信号输出模块与控制器相连接，进行电刺激信号输出的监控，所述刺激感应组件包括生物反馈脑电极和生物反馈信号采集放大器及传感器模块，所述生物反馈脑电极与生物反馈信号采集放大器及传感器模块相连接，进行生物反馈信号的采集，所述生物反馈信号采集放大器及传感器模块与控制器相连接，将电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流信号反馈或输出给控制器，控制器根据总感应电流信号与设置的脑神经安全电流阈值进行对比，实时调整电刺激输入组件和/或非电物理刺激输入组件，形成电刺激神经调控安全回路。
在本发明一个较佳实施例中，还包括电极帽，所述电刺激电极和生物反馈脑电极分布在电极帽上。
在本发明一个较佳实施例中，所述生物反馈脑电极采用具有采集电信号和导电功能的电极，比如生物反馈脑电EEG电极。
在本发明一个较佳实施例中，所述电刺激电极和生物反馈脑电极分别采用表面镀金的黄铜电极，或者其他具有良好导电性和加工性的材料制成，所述黄铜电极中设置有空腔，所述空腔中填充有导电介质，所述黄铜电极底部设置有与空腔连通的微孔，进行导电介质的缓释，以减小头皮与黄铜电极之间的阻抗，保证头皮与电极之间的阻抗低于设计目标值，比如10KΩ。
在本发明一个较佳实施例中，所述非电物理刺激输入组件包括针灸刺激输入组件、按摩刺激输入组件、声刺激输入组件、经颅红外光刺激输入组件和经颅磁刺激输入组件中的一种或多种，所述控制器与非电物理刺激输入组件相连接，进行非电物理刺激输入组件的功率控制或参数调控，以调控非电物理刺激诱发的生物电和/或脑神经网络内生振荡变化。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电刺激神经调控方法，包括以下步骤：
将电刺激电极和生物反馈脑电极定位在人体脑部不同脑区位置，形成闭环电刺激回路；
通过生物反馈脑电极进行脑电检测，根据检测数据以及电刺激神经调节预案，利用控制电刺激信号发生器生成电刺激电流参数，通过电信号稳定限流处理模块进行电刺激电极的电流调节，通过电刺激信号输出模块进行波形处理后，向人体释放经颅直流电刺激tDCS或经颅交流电刺激tACS，将刺激电流输入浅脑区皮层，激发神经系统的神经元产生电兴奋而放电，产生激发电流；
在非电物理刺激输入组件开启或关闭的情况下，通过刺激感应组件进行电流信号的采集，得到电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流值，通过控制器将总感应电流值与设置的脑神经安全电流阈值进行比较，如果总感应电流值大于脑神经安全电流阈值，关闭电刺激电极、进行电刺激电流的调节和/或进行非电物理刺激输入组件的参数调节，将总感应电流值限制在脑神经安全电流阈值内。
在本发明一个较佳实施例中，电刺激电流的调节包括：减少或增加电刺激电极的数量或调整电刺激电极的位置。
在本发明一个较佳实施例中，电刺激电流的调节包括：通过控制器降低或增加电刺激输出电流值，同时延长或缩短刺激时间，以保证电刺激所需的总能量输入。
在本发明一个较佳实施例中，电刺激电流的调节包括：通过控制器调节电刺激节律或刺激电流脉冲波形，避开通过脑电检测获得的脑内生振荡频率，以减少或增加神经元电兴奋放电峰值和/或神经导电组织产生的电感值。
在本发明一个较佳实施例中，电刺激电流的调节包括：对电刺激信号进行波形调幅和/或调频的调制处理，在调控总感应电流值的同时，让患者感受到更加舒服和安全的电刺激。
上述电刺激电流和非电物理刺激参数的调节方法可以单独操作，也可以同步或异步组合操作，以在脑神经安全电流阈值内达到最大化神经刺激效率为目标。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置，可以进行脑电检测，以辅助进行经颅电刺激或者其他非电物理刺激，将电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流信号反馈或输出给控制器，控制器实时分析并调整电刺激输入组件的电流或者非电物理刺激输入组件的功率或参数，将总感应电流信号的值限制在所设置的脑神经安全电流阈值内，实现安全电刺激神经调控，并形成经颅电刺激和脑电感应回路，避免电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流值超出脑神经安全电流阈值的问题，解决了安全隐患，提升了操作安全性，并保证了电刺激神经调控的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明一种具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置一较佳实施例的结构示意图；
图2是电极帽的工作原理图；
图3是本发明一种具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置的工作原理图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1~图3，本发明实施例包括：
如图1所示的具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，包括：控制器、电刺激输入组件、非电物理刺激输入组件和刺激感应组件，在本实施例中，电刺激输入组件包括如图3所示的电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极，控制器与电刺激信号发生器相连接，实时进行电刺激信号的控制，确保反馈调节的及时性。
非电物理刺激输入组件包括针灸刺激输入组件、按摩刺激输入组件、声刺激输入组件、经颅红外光刺激输入组件和经颅磁刺激输入组件中的一种或多种，通过控制器与非电物理刺激输入组件相连接，进行非电物理刺激输入组件的功率控制或参数调控，以调控非电物理刺激诱发的生物电和/或脑神经网络内生振荡变化。
如图3所示，将电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极依次串联，通过电刺激电极输出电流，经颅电刺激皮层。利用电刺激信号输出模块与控制器相连接，进行电刺激信号输出的监控，确保电刺激信号按照程序进行输出。
在本实施例中，刺激感应组件包括生物反馈脑电极和生物反馈信号采集放大器及传感器模块，生物反馈脑电极与生物反馈信号采集放大器及传感器模块相连接，进行生物反馈信号的采集，生物反馈脑电极可以采用生物反馈脑电EEG电极，也可以采用其他能够进行脑电采集的电极。
如图3所示通过生物反馈信号采集放大器及传感器模块与控制器相连接，将电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流信号反馈或输出给控制器，控制器根据总感应电流信号与设置的脑神经安全电流阈值进行对比，实时调整电刺激输入组件和/或非电物理刺激输入组件，形成电刺激神经调控安全回路。
为了方便电刺激电极、生物反馈脑电极和非电物理刺激输入组件的定位，如图2所示，可以采用电极帽，电刺激电极、生物反馈脑电极、声刺激输入组件、经颅红外光刺激输入组件和经颅磁刺激输入组件固定在电极帽上，使得电刺激电极可以根据脑区进行分布，确保电刺激和非电物理刺激位置的准确性和位置固定的稳定性。
此外，为了增加电极导电性和/或降低电极与头皮之间的电阻或阻抗，在本实施例中，电刺激电极和生物反馈脑电极分别采用表面镀金的黄铜电极，黄铜电极中设置有空腔，空腔中填充有导电介质（生理盐水、凝胶、电极膏），黄铜电极底部设置有与空腔连通的微孔，进行导电介质的缓释。由导电介质粘度和缓释速度要求等因素决定，微孔的直径在0.10mm~4.00mm，控制导电介质的释放，使得导电介质释放在黄铜电极与头皮之间，将黄铜电极与头皮之间的电阻或阻抗降低到<10KΩ以内，以减少电刺激或检测电流的损失，提高输入刺激效果或输出检测精度。
一种电刺激神经调控方法，包括以下步骤：
通过电极帽将电刺激电极和生物反馈脑电极定位在人体脑部不同脑区位置，形成闭环电刺激回路；
通过生物反馈脑电极进行脑电检测，根据检测数据以及电刺激神经调节预案，利用控制电刺激信号发生器生成电刺激电流参数，通过电信号稳定限流处理模块进行电刺激电极的电流调节，通过电刺激信号输出模块进行波形处理后，向人体释放经颅直流电刺激tDCS或经颅交流电刺激tACS，将刺激电流输入浅脑区皮层，激发神经系统的神经元产生电兴奋而放电，产生激发电流，进行神经调控；
其中，经颅直流电刺激tDCS的刺激电流：-3mA至3mA，频率：0-200Hz，不少于2个通道，比如采用2-4个通道，波形发生器生成包括但不限于三角波、正弦波、方波及随机波形，通过不少于一对正负电极进行电刺激；
在经颅电刺激过程中，在非电物理刺激输入组件开启或关闭的情况下，通过刺激感应组件进行电流信号的采集，得到电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流值，通过控制器将总感应电流值与设置的脑神经安全电流阈值进行比较，如果总电流值大于所设置的脑神经安全电流阈值（5mA），关闭电刺激电极或者进行电刺激信号的调节，将总电流值限制在脑神经安全电流阈值内；
在本实施例中，电刺激信号的调节方法如下：
第一种,减少或增加电刺激电极的数量或调整电刺激电极的位置，有利于降低局部刺激电流，避免局部总电流值过大的问题；
第二种,通过控制器降低或增加电刺激输出电流值，同时延长或缩短刺激时间，以保证电刺激所需的总能量输入；
第三种,通过控制器调节电刺激节律和/或刺激电流脉冲波形，避开通过脑电检测获得的脑内生振荡频率，以减少或增加神经元电兴奋放电峰值和/或神经导电组织产生的电感值，确保电刺激神经调控的效果；
第四种,对电刺激信号进行波形调幅和/或调频的调制处理，比如正玄波幅调制SAM（amplitude modulation），在载波频率在kHz范围内，进行1~10 Hz的低频调制，在调控总感应电流值的同时，让患者感受到更加舒服和安全的电刺激，更加科学。
综上，本发明提出的一种具有刺激和感应回路的神经调控方法与装置，形成了经颅电刺激、非电物理刺激和脑电感应回路，实现了电刺激的实时调整，在进行电刺激神经调控的同时，提升了患者的舒适性和安全性。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，其特征在于，包括：控制器、电刺激输入组件、非电物理刺激输入组件和刺激感应组件，所述电刺激输入组件包括电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极，所述控制器与电刺激信号发生器相连接，实时进行电刺激信号的控制，所述电刺激信号发生器、电信号稳定限流处理模块、电刺激信号输出模块和电刺激电极依次串联，通过电刺激电极输出电流，经颅电刺激皮层，所述电刺激信号输出模块与控制器相连接，进行电刺激信号输出的监控，所述刺激感应组件包括生物反馈脑电极和生物反馈信号采集放大器及传感器模块，所述生物反馈脑电极与生物反馈信号采集放大器及传感器模块相连接，进行生物反馈信号的采集，所述生物反馈信号采集放大器及传感器模块与控制器相连接，将电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流信号反馈或输出给控制器，控制器根据总感应电流信号与设置的脑神经安全电流阈值进行对比，实时调整电刺激输入组件和/或非电物理刺激输入组件，形成电刺激神经调控安全回路。
2.根据权利要求1所述的具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，其特征在于，还包括电极帽，所述电刺激电极和生物反馈脑电极分布在电极帽上。
3.根据权利要求1所述的具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，其特征在于，所述生物反馈脑电极采用具有采集电信号和导电功能的电极。
4.根据权利要求1所述的具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，其特征在于，所述电刺激电极和生物反馈脑电极分别采用表面镀金的黄铜电极，所述黄铜电极中设置有空腔，所述空腔中填充有导电介质，所述黄铜电极底部设置有与空腔连通的微孔，进行导电介质的缓释，以减小头皮与黄铜电极之间的阻抗。
5.根据权利要求1所述的具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，其特征在于，所述非电物理刺激输入组件包括针灸刺激输入组件、按摩刺激输入组件、声刺激输入组件、经颅红外光刺激输入组件和经颅磁刺激输入组件中的一种或多种，所述控制器与非电物理刺激输入组件相连接，进行非电物理刺激输入组件的功率控制或参数调控，以调控非电物理刺激诱发的生物电和/或脑神经网络内生振荡变化。
6.一种电刺激神经调控方法，基于权利要求1-5任一所述的具有刺激和感应回路的电刺激神经调控装置，其特征在于，包括以下步骤：
将电刺激电极和生物反馈脑电极定位在人体脑部不同脑区位置，形成闭环电刺激回路；
通过生物反馈脑电极进行脑电检测，根据检测数据以及电刺激神经调节预案，利用控制电刺激信号发生器生成电刺激电流参数，通过电信号稳定限流处理模块进行电刺激电极的电流调节，通过电刺激信号输出模块进行波形处理后，向人体释放经颅直流电刺激tDCS或经颅交流电刺激tACS，将刺激电流输入浅脑区皮层，激发神经系统的神经元产生电兴奋而放电，产生激发电流；
非电物理刺激，开启非电物理刺激输入组件，刺激神经系统的神经元产生电兴奋而放电或神经导电组织产生电感应，产生诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化；
在非电物理刺激输入组件开启或关闭的情况下，通过刺激感应组件进行电流信号的采集，得到电刺激输入电流、电刺激激发电流和/或非电物理刺激诱发生物电流和/或脑神经网络内生振荡变化叠加而成的总感应电流值，通过控制器将总感应电流值与设置的脑神经安全电流阈值进行比较，如果总感应电流值大于脑神经安全电流阈值，关闭电刺激电极、进行电刺激电流的调节和/或进行非电物理刺激输入组件的参数调节，将总感应电流值限制在脑神经安全电流阈值内。
7.根据权利要求6所述的电刺激神经调控方法，其特征在于，电刺激电流的调节包括：减少或增加电刺激电极的数量或调整电刺激电极的位置。
8.根据权利要求6所述的电刺激神经调控方法，其特征在于，电刺激电流的调节包括：通过控制器降低或增加电刺激输出电流值，同时延长或缩短刺激时间，以保证电刺激所需的总能量输入。
9.根据权利要求6所述的电刺激神经调控方法，其特征在于，电刺激电流的调节包括：通过控制器调节电刺激节律或刺激电流脉冲波形，避开通过脑电检测获得的脑内生振荡频率，以减少或增加神经元电兴奋放电峰值和/或神经导电组织产生的电感值。
10.根据权利要求6所述的电刺激神经调控方法，其特征在于，电刺激电流的调节包括：对电刺激信号进行波形调幅和/或调频的调制处理，在调控总感应电流值的同时，让患者感受到更加舒服和安全的电刺激。
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