CN116966421A - 一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置，属于神经调控领域所述装置包括CPU，以及分别与CPU连接的电流调控模块、信号转换模块、交互显示与操作模块；所述电流调控模块能够与电极片连接；所述信号转换模块与信号采集模块连接。所述信号采集模块将采集的信号传输给信号转换模块；所述信号转换模块将信号采集模块采集的信号转化成数字信号，并将数字信号传输给CPU；所述CPU根据数字信号生成与数字信号同相位的干涉波输出命令，并将命令传输至电流调控模块；所述电流调控模块接收到命令后，产生同相位的两路交流电。本发明装置能够用于对大脑进行刺激，进而增强脑功能，改善脑功能失常诱发的脑疾病。
Description
技术领域
本发明属于神经调控领域，具体涉及一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置。
背景技术
相位干涉电场刺激是一种低频包络波刺激，该刺激通过两路存在较小差频的高频交流电形成低频包络刺激电场。由于大脑组织对高频电场刺激不响应，而对低频电刺激响应，因此两路高频交流电干涉所形成的低频包络波可在不影响浅层脑组织的情况下刺激深部脑组织。此外，研究显示刺激电场的刺激效果与中枢神经控制肌肉活动的频率存在相关，通过采集神经肌肉的活动波形，再基于该波形生成电刺激的波形可更加有效的提高电刺激的效果。目前市场上已有多种经颅直流电刺激设备，但尚未有实时基于肌肉收缩产生的运动波形生成干涉电场刺激波形的脑功能的闭环精准电刺激装置。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置，能够用于对大脑进行刺激，进而增强脑功能，改善脑功能失常诱发的脑疾病。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置，所述装置包括CPU，以及分别与CPU连接的电流调控模块、信号转换模块、交互显示与操作模块；
所述电流调控模块能够与电极片连接；
所述信号转换模块与信号采集模块连接。
优选的，所述信号采集模块将采集的信号传输给信号转换模块；
所述信号转换模块将信号采集模块采集的信号转化成数字信号，并将数字信号传输给CPU；
所述CPU根据数字信号生成与数字信号同相位的干涉波输出命令，并将命令传输至电流调控模块；
所述电流调控模块接收到命令后，产生同相位的两路交流电。
优选的，所述装置进一步包括：分别与CPU连接的外联模块、计时模块、记忆模块、供电模块。
优选的，所述装置进一步包括电阻检测模块，所述电阻检测模块与CPU连接，并能够检测阴、阳电极片之间的电阻值。
优选的，所述装置进一步包括壳体，所述壳体为盒状结构；
在壳体的内腔中设置有：CPU、信号转换模块、电流调控模块、外联模块、电阻检测模块、供电模块、计时模块、记忆模块和交互显示与操作模块；
在壳体的前侧面上设置有显示屏，所述显示屏与交互显示与操作模块连接；
在壳体的上端面上设置有传感器信号输入接口，信号采集模块通过传感器信号输入接口与信号转换模块连接；
在壳体的上端面上设置有有线外接传输接口、电源开关接口；所述电源开关接口与供电模块连接。
优选的，在所述壳体的下端面设置有：第一通道接口、第二通道接口、第三通道接口、第四通道接口；
第一通道接口、第三通道接口为阳极接口，第二通道接口、第四通道接口为阴极接口，这四个通道接口分别与电流调控模块连接；四个电极片能够分别与四个通道接口连接。
所述信号采集模块包括：9轴加速度传感器、脑电信号采集器。
优选的，所述外联模块能够连接有线传输模块和无线传输模块。
优选的，所述电极片采用硅胶电极片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明装置能够用于对大脑进行刺激，进而增强脑功能，改善脑功能失常诱发的脑疾病。
本发明装置通过信号采集模块能够采集手指、面部振动、脑电等信号，通过信号转换模块对采集的信号进行数字化转化后传输至CPU，CPU根据数字信号可生成同相位的相位干涉电场刺激命令。
本发明装置具有无线传输功能，能够连接手机、平板电脑等便携式移动设备。
附图说明
图1本发明闭环精准相位干涉脑电刺激装置的组成结构示意图；
图2本发明闭环精准相位干涉脑电刺激装置中的壳体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明提供了一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置，所述装置包括CPU，以及分别与CPU连接的电流调控模块、信号转换模块、交互显示与操作模块；所述电流调控模块与电极片连接；所述信号转换模块与信号采集模块连接。
具体的，所述电流调控模块能够产生双通道同相位电流，并向电极片输出电流。利用双通道能够产生相位干涉的包络波。电流输出范围为0-10mA，电流频率范围为0-2500Hz，电流输出波形包括正弦波、方波。所述电流调控模块采用现有产品，例如可以采用型号为ADI-TL3092的电流调控模块。
所述信号转换模块通过NI数字采集卡进行转换，将信号采集模块采集到的模拟信号转换成数字信号，并发送给CPU。所述信号转换模块采用现有产品，例如可以采用现有的NI PCI-6229产品。
所述交互显示与操作模块用于完成操作命令，并可显示操作信息、刺激剩余时长、刺激模式(包括但不限于正弦波刺激和方波刺激模式)和电阻值等信息，还能够实时显示干涉电场波形。所述交互显示与操作模块采用现有产品，例如可以采用型号为Kinseal-AMZ070W1R的产品。
所述信号采集模块包括但不限于现有的9轴加速度传感器、脑电信号采集器。其中，9轴加速度传感器可以采用维特智能9轴传感器WT901C485；脑电传感器可以采用ANTNeuro Waveguard EEG或BP-AMP EEG系统脑电采集系统。信号采集模块的详细内容可参见文献：Schreglmann,S.R.,Wang,D.,Peach,R.L.,Li,J.,Zhang,X.,Latorre,A.,...Grossman,N.(2021).Non-invasive suppression of essential tremor via phase-locked disruption of its temporal coherence.Nat Commun,12(1),363.doi:10.1038/s41467-020-20581-7。使用时，可以将信号采集模块安装在手指、脸部，或脑部，用于采集手指振动、脸部抽动或脑电活动情况。信号采集模块可以使用不同的附着固定方式，包括但不限于：鱼尾夹、贴片、电极片等，以满足部位振动信号的采集需求。
所述电极片采用现有的硅胶电极片，例如可以采用舒达康通用硅胶电极片。所述电流调控模块通过电极线连接电极片，例如可以采用英盛-ys000-230415电极线。
为了保证刺激电流在安全值范围内，所述装置进一步包括电阻检测模块，所述电阻检测模块与CPU连接，并能够检测阴、阳电极片之间的电阻值，通过电压公式U＝I*R即可获得电压的大小，并当电压大于32V时(即过流时)向CPU上传切断电流命令，这样在电流超过设定值时切断电流以保证刺激的安全性。所述电阻检测模块采用现有产品，例如可以采用型号为Allegro MicroSystems-ACS712、电极片式电阻检测器K134AS。
所述装置进一步包括：分别与CPU连接的外联模块、计时模块、记忆模块、供电模块。
所述外联模块能够连接有线传输模块和无线传输模块，进而实现有线和无线通信。所述无线传输模块可通过APP传输信号，手机、平板电脑等便携式移动设备通过无线传输能够与本发明装置进行无线连接，并对刺激过程进行控制。所述有线传输模块可通过USB向上位机传输信号。
所述计时模块用于计时电刺激的时间，例如通过记录开始电刺激的时间和停止电刺激的时间，即可获得电刺激的时长。所述计时模块采用现有产品，例如可以采用Microchip公司的MCP79410。
所述记忆模块具有记忆刺激模式功能以保存用户使用电刺激的电流大小和持续时间。所述记忆模块采用现有产品，例如可以采用三星的V-NAND产品
所述供电模块用于向CPU供电，CPU再给与其连接的模块进行供电。所述供电模块采用现有产品，例如可以采用National Semiconductor-LM2596。
所述CPU可以采用SGS-Thomson公司的SG3525芯片。
实际使用时，所述信号采集模块将采集的信号传输给信号转换模块，信号转换模块将信号采集模块采集的信号转化成数字信号，并将数字信号传输给CPU，所述CPU根据信号转换模块发来的数字信号生成与数字信号同相位的干涉波输出命令(“根据信号转换模块发来的数字信号生成与数字信号同相位的干涉波输出命令”是采用现有算法实现的，该算法可参考文献：Schreglmann,S.R.；et al.Non-invasive suppression of essentialtremor via phase-locked disruption of its temporal coherence.NatureCommunications 2021,12,363,doi:10.1038/s41467-020-20581-7.)，并将命令发送给电流调控模块，电流调控模块接收到命令后，产生两路交流电(同时输出电信号即可保证两路电流产生的时间零点一致)：电流强度0-10mA、频率电流：0-2500Hz、刺激时长0-30分钟,两路电流的相位相同，两路交流电通过电极片输出，这样通过两路刺激电流频率频差形成了相位干涉刺激电场。
优选的，本发明装置设置有4个电极片。使用时，电极片的黏贴的位置根据不同的神经调控需要进行放置，具体位置可通过模拟获得，或者查阅现有文献中获得,具体放置位置可以采用10-20头皮定位系统(即国际10-20系统)进行头皮位置标准化。
本装置在开始和停止刺激时，电流强度会有时长30-120秒的渐强和渐弱过渡变化：开始刺激时，电流强度从0.5mA开始逐渐上升，经过30秒达到预设强度(默认为2.5mA)；刺激停止时，电流强度从预设强度(默认为2.5mA)开始逐渐下降，经过30-120秒变为0mA，这个渐强渐弱的过程是通过CPU实现的。
所述装置进一步包括壳体，如图2所示，所述壳体为盒状结构，所述CPU、信号转换模块、电流调控模块、外联模块、电阻检测模块、供电模块、计时模块、记忆模块和所述交互显示与操作模块均设置在壳体的内腔中。在壳体的前侧面上设置有显示屏1，所述显示屏1与交互显示与操作模块连接。在壳体的上端面上设置有传感器信号输入接口2(信号采集模块通过传感器信号输入接口与信号转换模块连接)、有线外接传输接口3(可以采用USB接口，用于连接外部控制终端)、电源开关接口4(与供电模块连接)。
在所述壳体的下端面设置有多个通道接口，分别为：第一通道接口5、第二通道接口6、第三通道接口7、第四通道接口8，第一通道接口5、第三通道接口7为阳极接口，用于连接阳极电极片，第二通道接口6、第四通道接口8为阴极，用于连接阴极电极片，这四个通道接口分别与电流调控模块连接，四个电极片能够分别与四个通道接口连接，一路电流经过第一电极片和第二电极片输出，另一路电流经过第三电极片和第四电极片输出，进而实现了两路电流的输出。
通过通道接口不同的颜色可以区分阴极和阳极，如阴极为蓝色，阳极为红色。为了检测电极片之间的电阻，可以在第一通道接口5、第二通道接口6之间设置第一电阻，在第三通道接口7和第四通道接口8之间设置第二电阻，第一电阻、第二电阻并联后与电阻检测模块连接。或者，有些电阻检测模块自带有第一电阻、第二电阻，直接将电阻检测模块与四个通道接口连接即可。这样，当电阻检测模块检测到任意一个电阻上的电压大于32V时，电阻检测模块就会向CPU上传切断电流的命令，这样在电流超过设定值时能够切断电流以保证刺激的安全性。
上述装置的使用方法如下：
1、布置电极片：对头皮进行处理后，根据模拟结果或现有文献提供的位置，在10-20系统的帮助点进行点位放置并固定。通常是将电极片分别固定于使用者头部的大脑运动皮层区域和小脑区域，可增强大脑运动皮层的兴奋性，提高视觉-动作转化，改善帕金森和中风等神经性的运动功能障碍。
2、布置信号采集模块，将信号采集器固定在需要采集信号的位置，这些位置包括但不限于手指、面部或脑部。
3、设置基线信号采集的时长。利用信号采集模块采集一段时间的基线后，才能够确定波形的具体形式，然后根据波形的具体形式才能产生同相位刺激的波形。
3、设置刺激参数：通过显示屏设置刺激阶段的数量、各个刺激阶段的刺激波形、刺激时长、渐入渐出时长。
4、电流调控模块输出同相位的两路交流电，开始闭环刺激。
与现有技术相比，本发明可根据采集的生理信号生成同相位的相位干涉电场脑电刺激信号，通过两路高频交流电刺激信号所形成的低频包络电场可在不影响表层脑组织的情况下，精准刺激深部脑组织，实现闭环精准调节脑功能。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (9)
1.一种闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述装置包括CPU，以及分别与CPU连接的电流调控模块、信号转换模块、交互显示与操作模块；
所述电流调控模块能够与电极片连接；
所述信号转换模块与信号采集模块连接。
2.根据权利要求1所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述信号采集模块将采集的信号传输给信号转换模块；
所述信号转换模块将信号采集模块采集的信号转化成数字信号，并将数字信号传输给CPU；
所述CPU根据数字信号生成与数字信号同相位的干涉波输出命令，并将命令传输至电流调控模块；
所述电流调控模块接收到命令后，产生同相位的两路交流电。
3.根据权利要求1所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述装置进一步包括：分别与CPU连接的外联模块、计时模块、记忆模块、供电模块。
4.根据权利要求1所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述装置进一步包括电阻检测模块，所述电阻检测模块与CPU连接，并能够检测阴、阳电极片之间的电阻值。
5.根据权利要求1所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述装置进一步包括壳体，所述壳体为盒状结构；
在壳体的内腔中设置有：CPU、信号转换模块、电流调控模块、外联模块、电阻检测模块、供电模块、计时模块、记忆模块和交互显示与操作模块；
在壳体的前侧面上设置有显示屏，所述显示屏与交互显示与操作模块连接；
在壳体的上端面上设置有传感器信号输入接口，信号采集模块通过传感器信号输入接口与信号转换模块连接；
在壳体的上端面上设置有有线外接传输接口、电源开关接口；所述电源开关接口与供电模块连接。
6.根据权利要求5所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：在所述壳体的下端面设置有：第一通道接口、第二通道接口、第三通道接口、第四通道接口；
第一通道接口、第三通道接口为阳极接口，第二通道接口、第四通道接口为阴极接口，这四个通道接口分别与电流调控模块连接；四个电极片能够分别与四个通道接口连接。
7.根据权利要求3或5所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述外联模块能够连接有线传输模块和无线传输模块。
8.根据权利要求1所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述信号采集模块包括：9轴加速度传感器、脑电信号采集器。
9.根据权利要求1所述的闭环精准相位干涉脑电刺激装置，其特征在于：所述电极片采用硅胶电极片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |