CN203001691U - 一种大脑功能调制与检测的一体化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种大脑功能调制与检测的一体化装置，在经颅磁刺激线圈的表面套上一层硅胶套，硅胶套的内圈和外圈设有若干个距离不同的孔洞，便于近红外发射与接收的探头插入，利用硅胶的弹性，可牢固握持探头并能随意调节探头的上下方位，保证探头与检测部位的头皮紧密接触。微型近红外脑功能检测装置用微处理器设定690nm、830nm两种波长的近红外线分别发射与接收的频率，采用分时复用模式依次轮流点亮分布在刺激线圈中心部位的若干个LD/LED发射光源，周围探头检测到的信号经过处理在液晶屏上显示出去氧血红蛋白和血流量的变化，反映经颅磁刺激时各检测通道部位所对应脑区功能活动的强弱、范围与深度发生的变化。

Description

一种大脑功能调制与检测的一体化装置

技术领域

本实用新型涉及到一种大脑功能调制与检测的一体化装置。尤其涉及到一种无创性经颅磁刺激与微型近近红外脑功能检测技术同时实施的方法与一体化装置。

背景技术

经颅磁刺激仪（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）是1985年以后出现的无创性大脑皮质刺激和调制的新技术，在脑科学研究与临床诊断、治疗方面得到广泛应用。TMS用脉冲瞬变的磁场无阻无痛穿过颅骨，在颅内产生感应电流刺激大脑皮质神经而产生一系列生理作用和生化反应。TMS在神经科学中影响到分子、突触、细胞、网络、功能区、系统结构以及决策行为的各个层次；近年来，在康复医学、精神医学、神经科学等领域日益受到人们的重视，在临床和科研方面已被逐渐推广。

TMS调制神经功能的原理是用不同刺激模式和刺激参数作用于局部神经和网络，双向调控神经的突触连接强度，即调制神经功能的长时程增强或长时程抑制，双向调节神经兴奋性，调节局部脑血流量和新陈代谢，并以此来调控神经功能、治疗神经功能障碍性疾病。

TMS的双向调节作用有刺激频率依赖性，用高频重复刺激可以提高刺激部位的神经兴奋性，提高耗氧量和新陈代谢。低频的重复刺激作用相反，可以抑制神经兴奋性、减少血流量。但是影响TMS刺激效果的因素很多，如刺激线圈的大小与形状、刺激距离与角度、刺激强度与模式都会影响TMS的刺激效果；TMS的刺激作用还受神经活动状态、神经活动历史、神经自稳定性、个体差异、病理改变和药物作用的影响。因此TMS需要综合考虑这些因素，选择个体化的刺激参数、及时观察刺激效果、及时调整刺激参数。

TMS常用于刺激大脑皮质运动区，可以使运动神经控制的靶肌收缩抖动，常用靶肌上的运动诱发电位（MEP）的幅度来检测刺激效果，来决定刺激参数、按照预定目标，人为的干预神经功能来调制运动神经的兴奋性。现在又发现刺激大脑其余部位，（如额叶背外侧、颞叶、顶叶）可以治疗一些神经精神功能障碍性疾病，如抑郁症、精神分裂症等等。但是刺激这些部位没有靶器官可以检测到刺激效果，常规的高频刺激的效果受到多因素的影响，这些不确定因素需要正确的选择刺激模式和参数，如果不能实时检测到刺激效果，不能确定刺激部位的耗氧量的变化就难以确定TMS对刺激部位的影响，难以确定TMS的治疗效果，妨碍了TMS的应用、发展与推广。

因为大脑的兴奋与活动使代谢增加，耗氧量增加；目前只有用功能性磁共振（fMRI）和正电子发射计算机断层扫描成像系统（PET）来检测TMS刺激大脑非运动区对脑血流与生化代谢的改变来判断TMS刺激后的治疗效果，但这两种设备都十分昂贵，检测时间长、头部不能移动、封闭的环境容易产生幽闭恐怖，这些不利因素也影响了刺激结果，限制了神经科学的研究范围，难以在临床应用与普及。

脑的神经活动需要耗氧，氧由血液中的血红蛋白提供。20世纪90年代出现的新型无创性近近红外脑功能光学成像（Functional near infrared spectroscopy fNIRS）技术能够提供颅内氧合血红蛋与去氧血红蛋白浓度变化的信息，神经活动与氧合血红蛋白的增加、血流量的增加相关。fNIRS反映大脑功能活动引起的局部耗氧量与血流量的变化，其准确性和可信性已被fMRI和PET证实。近红外线能够透入颅骨，部分近红外能够通过脑组织的散射返回，在3-5厘米处穿出颅骨（透入越深，返回颅骨的距离越远）。氧合血红蛋白和去氧血红蛋白对近红外吸收光谱频率的不同、大脑功能活动处含氧血红蛋白和去氧血红蛋白比率发生变化，使射入颅骨到达大脑皮质的不同波长的近红外线的散射光强度发生变化，用高灵敏的探头-光电传感器可实时以检测到这种变化，象fMRI一样，通过检测大脑局部血氧与血流的变化来间接了解大脑的功能活动。

fNIRS的工作原理简单可靠，由激光二极管（LD）或发光二极管（LED）发射出波长为830nm 和690nm的近红外光，分别可以检测氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，可用具有相同频率特性的光电接收二极管或光电池作为探头，检测不同频率近红外线的散射，然后对信号放大、滤波、可实时显示每个位于大脑表面不同部位检测通道上光强的变化，从而反映不同大脑部位氧合血红蛋白和血流量的变化，经过软件处理，把信号幅度转换成不同的颜色，显示在头部影像模型上，实时动态显示大脑局部血流和功能的变化。

fNIRS系统的优点是安全、简便、成本低，能实时检测大脑局部的功能活动而不用固定头部、能够多次重复实验。克服了fMRI和PET的不足，并适合与TMS互不干扰地同时进行大脑功能检测。但目前TMS与fNIRS这两种新技术只有独立的设备。近红外脑功能成像设备的发射与接收都通过光导纤维，虽然光导纤维不受电磁干扰，但TMS的刺激线圈在密布了光导纤维的头部很难移动操作，过多的光导纤维固定在头架上费时费事，TMS的刺激线圈在光导纤维中间无法接近颅骨进行有效的定位和准确的刺激皮质靶区部位，使得目前的TMS与fNIRS很难同时工作。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种大脑功能调制与检测的一体化装置，适合于在实施大脑功能刺激时，同时检测刺激部位去氧血红蛋白与血流量发生变化进而反映刺激部位神经活动、神经兴奋性发生变化的一体化装置。磁刺激中需要了解刺激部位对神经双向调节的结果-神经兴奋性是增加或抑制，相对应的是氧合血红蛋白增加或减少，还需要了解刺激作用的范围与深度。本实用新型可以方便的实现边刺激边检查，监测经颅磁刺激对大脑功能调制的方向、程度、影响范围与深度，以便选择更好的刺激模式、刺激参数来达到理想的刺激效果。

本实用新型的技术方案：本实用新型的一种大脑功能调制与检测的一体化装置包括经颅磁刺激仪和近红外脑功能光学成像仪，所述的近红外脑功能光学成像仪的微处理器通过延时触发器与经颅磁刺激仪的外触发器连接，近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈周围。

所述的近红外脑功能光学成像仪为微型近红外脑功能光学成像仪，包括微处理器，与微处理器连接的放大器、滤波器、模拟选择器、模数转换器、数模转换器、双向恒流驱动器、延时触发器、液晶触摸屏，双向恒流驱动器与发射探头连接，接收探头与放大器连接；近红外脑功能光学成像仪及其液晶触摸屏安装在经颅磁刺激仪的手柄上。

所述的近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头通过具有可塑性与弹性的硅胶套嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈上，硅胶套包括底面、与底面垂直的外套和内套，外套套在经颅磁刺激仪的刺激线圈的外侧，内套嵌在经颅磁刺激仪的刺激线圈的内侧，外套和内套上有探头安装洞孔；外套和内套的高度和内外壁的形状、尺寸与经颅磁刺激仪的刺激线圈匹配。

所述的近红外脑功能光学成像仪的外触发器对经颅磁刺激仪的触发信号是：在近红外脑功能光学成像仪停止工作的1ms中锁定探头的输入输出，延时0.5ms触发经颅磁刺激仪的刺激线圈产生0.3ms脉冲磁场，脉冲磁场输出停止后，经过0.2ms后近红外脑功能光学成像仪解除锁定。

所述的近红外脑功能光学成像仪中的双向恒流驱动电路包括双向桥式驱动电路和与之连接的恒流电路，双向桥式驱动电路的输出端直接驱动双向反并联的两个发光二极管LED或激光二极管LD组成的发射探头，一个发光管的波长是830nm，另一个发光管的波长为690nm，由微处理器分时轮流控制不同波长的两个发光管的近红外光发射；恒流电路的输入端与微处理器的给定输出端连接，由微处理器调节恒定电流的大小。

所述的发射探头和接收探头为细长圆柱形，能够方便插入硅胶套上的安装孔洞，被弹性硅胶孔洞夹持，可调节在安装孔洞中的深度，达到与头皮的紧密接触。

所述的近红外脑功能光学成像仪的发射探头与接收探头的安装部位根据检测部位的需要选择安装位置，保持两者之间的距离为3~5cm。

优选地，所述的近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头分别放置在硅胶套的外套和内套的探头安装洞孔中，发射探头与接收探头间的距离为3-5cm。更优选接收探头放置在硅胶套的内套，在刺激线圈中心部位。

所述的近红外脑功能光学成像仪的发射探头设1~10个，接收探头1~10个；探头直径都为2.5mm。

本实用新型的优点：本实用新型的微型近红外脑功能光学成像仪内由微处理器设定两种波长的近红外发射与接收的工作频率，采用连续波分时复用模式依次轮流点亮分布在刺激线圈内侧的若干个发射探头，以690nm、830nm波长的近红外光照射待测的磁刺激部位,然后由刺激线圈外侧的若干个探测器接收经过组织衰减后的光信号,经过光电转换和信号放大、滤波处理并进行模/数转换,利用软件控制电路分时轮流工作的同时,对采集的多通道数据进行实时运算,并在小型液晶屏上显示出氧合血红蛋白和血流量的变化,来反映各个通道部位所对应脑区功能活动的强弱、活动的范围与深度发生的变化。

本实用新型在临床操作时简单省时，先利用支架把刺激线圈1a与受刺激者的头颅相对固定，然后把近红外的发射探头与接收探头通过磁刺激线圈硅胶套上的孔洞与头皮紧密接触就让两种设备互不影响，同时工作。

本实用新型的费用低，只需定制低成本的TMS刺激线圈的硅胶套，既可以用于现有的TMS设备，又可用于新型TMS设备的重新设计与制作。低成本的硅胶套既便于清洗消毒，又可以作为病人单独使用的耗材。

本实用新型实施简单易行，操作方便，便于在刺激中根据实时fNIRS检测结果调整刺激参数与刺激模式，以达到干预神经功能的预期目的。本实用新型提高了TMS的刺激疗效，扩大了fNIRS的应用范围，为神经科学的科研、检测、治疗提供了一种新的方法与实用工具。

综上所述，本实用新型把两种神经科学中的新技术结合在一起，实时用fNIRS检测TMS刺激大脑任何部位的刺激效果。解决了TMS刺激非运动区没有靶器官检测的难题。免除了fMRI、PET检测TMS刺激效果的高额医疗费用。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理逻辑框图。

图2是微型近红外脑功能光学成像仪的双向恒流驱动原理框图。

图3是近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈内外的示意图。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是硅胶套的示意图。

图6是本实用新型对人的大脑功能调制与检测时使用的示意图。

图7是经颅磁刺激仪与近红外脑功能光学成像仪分时工作波形图。

图8是发射探头与接收探头之间的距离与探测深度的关系图。

图9是本实用新型用于8字形线圈的示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详述本实用新型的实施例。

图1是本实用新型的电路原理逻辑框图：

本实用新型提供一种大脑功能调制与检测的一体化装置，包括经颅磁刺激仪1和近红外脑功能光学成像仪2，所述的近红外脑功能光学成像仪2的微处理器通过延时触发器与经颅磁刺激仪的外触发器连接，近红外脑功能光学成像仪2的发射探头2a和接收探头2b嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈1a周围。

本实用新型的近红外脑功能光学成像仪为微型近红外脑功能光学成像仪，包括微处理器，与微处理器连接的放大器、滤波器、模拟选择器、模数转换器、数模转换器、双向恒流驱动器、延时触发器、液晶触摸屏，双向恒流驱动器与发射探头2a连接，接收探头2b与放大器连接。

图2是微型近红外脑功能光学成像仪的双向恒流驱动原理框图：

所述的近红外脑功能光学成像仪中的双向恒流驱动电路包括双向桥式驱动电路和与之连接的恒流电路，双向桥式驱动电路的输出端直接驱动双向反并联的两个发光二极管组成的发射探头，一个发光管的波长是830nm，一个发光管的波长690nm，由微处理器分时轮流控制不同波长的两个发光管的近红外光发射；恒流电路的输入端与微处理器的给定输出端连接。

双向恒流驱动器的桥式电路由三极管Q1～Q4组成，桥式电路的输出端直接驱动双向反并联的两个发光二极管（LED）或激光二极管（LD），当桥式电路三极管Q1～Q4桥臂导通时，流过D830nm的发光管，桥臂三极管Q2、Q3导通时，D690nm的发光管导通，轮流导通的近红外光源的控制由微处理器发出的交错脉冲控制Q6和Q7完成。恒流电路由三极管Q5、电阻R9、R10和放大器A组成，由微处理器经过D/A转换的给定输出强度接到放大器输入端的正端，负端接到电流检测反馈电阻R9上，当电流小于给定值，三极管Q5导通，电流大于给定值时，R9上的电压降增加，放大器A的负端电压增加，输出减小使Q5关断，输出电流以负反馈形式控制Q5的导通状态，达到电流按照给定值恒定输出。

所述接收探测器还可用相应波长的近红外光敏二极管、三极管、光敏电阻或光敏电池，也可采用光导纤维传导检测到的近红外信号。

图7是经颅磁刺激仪与近红外脑功能光学成像仪分时工作波形图：

近红外脑功能光学成像仪的外触发器对经颅磁刺激仪的触发信号是：在近红外脑功能光学成像仪停止工作的1ms中锁定探头的输入输出，延时0.5ms触发经颅磁刺激仪的刺激线圈产生0.3ms脉冲磁场，脉冲磁场输出停止后，经过0.2ms后近红外脑功能光学成像仪解除锁定。避免磁刺激与近红外同时工作，躲避经颅磁刺激器输出的强脉冲磁场对近红外装置的干扰。经颅磁刺激器的工作频率一般为1～100HZ，即每个治疗周期为10～1000ms。

图5是硅胶套的示意图：

近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头通过具有可塑性与弹性的硅胶套嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈上，硅胶套包括底面2g、与底面垂直的外套2c和内套2d，外套2c套在经颅磁刺激仪的刺激线圈的外侧，内套2d嵌在经颅磁刺激仪的刺激线圈的内侧，外套2c和内套2d上有探头安装洞孔；外套2c和内套2d的高度和内外壁的形状、尺寸与经颅磁刺激仪的刺激线圈匹配。

硅胶套是根据磁场刺激线圈的几何尺寸，制作一个刺激线圈的硅胶外套，内外边缘折返以便刺激线圈牢固嵌入硅胶外套之内。硅胶外套的内外设有若干个距离不同的安装孔洞，便于近红外发射与接收探头插入孔洞，利用硅胶的弹性，使较小的孔洞能够牢固握持圆柱形细长探头并能随意调节探头的上下方位，保证探头与检测部位的头皮紧密接触。

图3、图4是近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈内外的示意图：发射探头和接收探头为细长圆柱形，能够方便插入硅胶套上的安装孔洞，被弹性硅胶孔洞夹持，可调节深浅达到与头皮的紧密接触。

近红外脑功能光学成像仪的发射探头设1～10个，优选1个；接收探头1~10个，优选2个；安装部位根据检测部位的需要选择硅胶套的安装孔洞，保持两者之间的距离为3~5cm。优选发射探头和接收探头分别放置在硅胶套的外套2c和内套2d的探头安装洞孔中。

近红外脑功能光学成像仪的发射探头与接收探头分别放置在硅胶套的外套2c和内套2d的探头安装洞孔中，近红外脑功能光学成像仪的发射探头设1～10个，接收探头1~10个。近红外脑功能光学成像仪的发射探头与接收探头分别放置在硅胶套的外套2c和内套2d的探头安装洞孔中，发射探头与接收探头间的距离为3-5cm。微型近红外脑功能光学成像仪2及其液晶触摸屏2e安装在经颅磁刺激仪的手柄1b上。

本实用新型的微型近红外脑功能光学成像仪包括一个2.5寸的彩色触摸液晶屏作为人机对话接口，用曲线或不同的颜色显示不同部位的检测结果、用触摸屏选择近红外发射与检测导联的数量与组合、选择调节光源探头的驱动电流，选择和调节各导联的放大倍数、扫描时程、滤波等参数。

图6是本实用新型对人的大脑功能调制与检测时使用的示意图：

微型近红外脑功能光学成像仪的发射与接收探头用双绞线通过套管2f连接近红外发射探头2a和接收探头2b。发射探头2a和接收探头2b分别插入硅胶套上不同的安装孔洞内，形成若干分时复用的组合，以检测不同部位、不同范围、不同深度的氧合血红蛋白与血流量的变化。

具体地，微型近红外脑功能光学成像仪固定在经颅磁刺激仪的刺激线圈1a的手柄1b上。硅胶套固定探头，作为两种设备同时使用的一体化载体。硅胶套根据不同的线圈设计为不同的大小与形状，边缘反折能包绕刺激线圈1a，与刺激线圈1a保持紧密结合，利用硅胶材料的弹性和可塑性，可插入和紧密握持发射探头2a和接收探头2b，目的是为了把发射探头2a和接收探头2b固定在刺激线圈1a内外，并能紧密接触头皮，使探头能够随着刺激线圈1a的移动而移动，随意检测任何刺激部位的神经功能变化。

图8是发射探头与接收探头之间的距离与探测深度的关系图：

发射探头与接收探头之间的距离与探测部位的深度有关，当两者之间的距离L1＝3cm时，探测深度H1=3cm，如果把探测头与光源的距离增加到L2=5cm，则探测深度H2=5cm，因此调节接收探头与发射探头之间的距离可增加检测范围与深度，用多个发射探头可同时大范围检测颅内血氧和血流的情况，进而更多的反映脑神经活动的范围与强度。

图9是本实用新型用于8字形线圈的示意图：所述刺激线圈硅胶外套可做成不同的大小与形状，以适应各种刺激线圈，如最常用的圆形或8字形线圈。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大脑功能调制与检测的一体化装置，包括经颅磁刺激仪和近红外脑功能光学成像仪，其特征在于：所述的近红外脑功能光学成像仪的微处理器通过延时触发器与经颅磁刺激仪的外触发器连接，近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈周围。

2.根据权利要求1所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：所述的近红外脑功能光学成像仪为微型近红外脑功能光学成像仪，包括微处理器，与微处理器连接的放大器、滤波器、模拟选择器、模数转换器、数模转换器、双向恒流驱动器、延时触发器、液晶触摸屏，双向恒流驱动器与发射探头连接，接收探头与放大器连接；近红外脑功能光学成像仪及其液晶触摸屏安装在经颅磁刺激仪的手柄上。

3.根据权利要求1或2所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头通过具有可塑性与弹性的硅胶套嵌套在经颅磁刺激仪的刺激线圈上，硅胶套包括底面（2g）、与底面垂直的外套（2c）和内套（2d），外套（2c）套在经颅磁刺激仪的刺激线圈的外侧，内套（2d）嵌在经颅磁刺激仪的刺激线圈的内侧，外套（2c）和内套（2d）上有探头安装洞孔；外套（2c）和内套（2d）的高度和内外壁的形状、尺寸与经颅磁刺激仪的刺激线圈匹配。

4.根据权利要求1或2所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：近红外脑功能光学成像仪的外触发器对经颅磁刺激仪的触发信号是：在近红外脑功能光学成像仪停止工作的1ms中锁定探头的输入输出，延时0.5ms触发经颅磁刺激仪的刺激线圈产生0.3ms脉冲磁场，脉冲磁场输出停止后，经过0.2ms后近红外脑功能光学成像仪解除锁定。

5.根据权利要求2所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：所述的近红外脑功能光学成像仪中的双向恒流驱动电路包括双向桥式驱动电路和与之连接的恒流电路，双向桥式驱动电路的输出端直接驱动双向反并联的两个发光二极管LED或激光二极管LD组成的发射探头，一个发光管的波长是830nm，另一个发光管的波长为690nm，由微处理器分时轮流控制不同波长的两个发光管的近红外光发射；恒流电路的输入端与微处理器的给定输出端连接，由微处理器调节恒定电流的大小。

6.根据权利要求3所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：发射探头和接收探头为细长圆柱形，能够方便插入硅胶套上的安装孔洞，被弹性硅胶孔洞夹持，可调节在安装孔洞中的深度，达到与头皮的紧密接触。

7.根据权利要求1或2所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：近红外脑功能光学成像仪的发射探头与接收探头的安装部位根据检测部位的需要选择安装位置，保持两者之间的距离为3~5cm。

8.根据权利要求4所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：所述的近红外脑功能光学成像仪中的双向恒流驱动电路包括双向桥式驱动电路和与之连接的恒流电路，双向桥式驱动电路的输出端直接驱动双向反并联的两个光敏管组成的发射探头，一个发光二极管的波长是830nm，一个发光二极管是690nm，由微处理器分时轮流控制不同波长的两个光敏管的近红外光发射；恒流电路的输入端与微处理器的给定输出端连接。

9.根据权利要求3所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：近红外脑功能光学成像仪的发射探头和接收探头分别放置在硅胶套的外套（2c）和内套（2d）的探头安装洞孔中，发射探头与接收探头间的距离为3-5cm。

10.根据权利要求1或2所述的大脑功能调制与检测的一体化装置，其特征在于：近红外脑功能光学成像仪的发射探头设1～10个，接收探头1~10个；探头直径都为2.5mm。

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