CN205683403U - 一种记录‑刺激模式切换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种记录‑刺激模式切换装置，由开关切换单元、伪迹消除单元、微控制器单元及接口单元组成。开关切换单元主要包括切换模拟开关芯片，用于对信号记录通道和刺激输入通道作模式切换；伪迹消除单元主要包括放电模拟开关芯片，模拟开关一侧与电极通道接口连接，另一侧接地。微控制器单元主要由微处理器及外围器件线路构成，实现本装置与外部设备通讯及对所述模拟开关芯片的切换控制。接口单元包含供电接口、通讯控制接口、电极通道接口、信号记录接口以及刺激输入接口，提供装置工作电源及模式控制指令输入等。本实用新型可完成闭环神经电调控系统对信号通道的快速模式切换，实现对刺激伪迹的快速放电，可在体神经信号的同步记录和刺激中应用。

Description

一种记录-刺激模式切换装置

技术领域

本实用新型属于医疗康复神经调控领域，涉及一种用于闭环神经电调控系统的通道切换装置，尤其涉及一种用于在体神经实验研究、面向植入式医疗康复神经调控、闭环神经调控系统的记录-刺激模式切换装置。

背景技术

在面向医疗康复的神经调控(Neuromodulation)领域，经常会应用神经电刺激的方法来进行辅助治疗。例如，当前应用最为广泛的一种神经电调控方法——深部脑刺激(Deep BrainStimulation,DBS)，它主要通过刺激脉冲发生器产生弱电脉冲，经微电极刺激脑深部特定的神经核团，以达到治疗目的。DBS已经在帕金森、癫痫、扭转痉挛、运动障碍病等神经系统疾病上展示了明显的治疗作用。以深部脑刺激等为代表的神经电调控技术将越来越广泛地应用于癫痫、帕金森、抑郁等神经系统疾病的治疗，已逐渐成为一种不可替代的神经疾病治疗手段。

尽管电刺激已经被用于治疗癫痫等疾病，但是常用的方法是手工给予一定频率的电刺激，这种方法准确率低、反应慢，且系统功耗大。因此，为了解决这些问题，提高自动化程度，闭环式的反应性电刺激方法被提出。该技术应用检测算法对脑电波形进行检测，一旦发现具有病理特异性的神经电生理信号时(如癫痫中的痫样发作)，即刻用一定频率和幅值的电刺激对神经系统进行干预，从而抑制病理过程的发展，达到治疗的效果。因此，亦被称为反应性神经电刺激系统。整个系统能够实现癫痫等疾病的自动检测预警和电刺激抑制。目前，闭环神经电调控系统仍有几个关键的技术难点仍待突破。现有的神经电刺激与记录系统大多体积庞大，不具备便携性，对于临床医疗和科研实验而言，需要对神经电刺激与记录系统进行简化和集成；特别的，在很多情况下同一电极下既要完成神经电信号记录，又要用于神经电刺激，这就需要电极要在记录模式和刺激模式之间进行高速切换；同时每次电刺激完成之后，电极上周围的组织都会形成一定的累积电荷，并在后续的记录上形成刺激伪迹，导致神经信号记录受到影响，积累的电荷甚至会使后端信号放大器进入饱和状态，导致神经信号在一段时间内无法记录。

因此需要一个特定装置来实现系统模式的高速切换和电刺激伪迹的消除，减少对神经信号记录及实验人员对信号观察分析的干扰，有效提高闭环神经调控系统通道的开关切换效率和预警准确率。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供用于闭环神经电调控系统的记录-刺激模式切换装置。解决目前闭环神经电调控系统中存在的模式切换、电刺激伪迹消除以及装置需要进行小型化等问题。

本实用新型提供的一种记录-刺激模式切换装置，主要由开关切换单元、伪迹消除单元、微控制器单元以及接口单元四个部分组成，开关切换单元主要包括切换模拟开关芯片，伪迹消除单元主要包括放电模拟开关芯片，微控制器单元主要包括微处理器。

进一步地，所述开关切换单元主要包括切换模拟开关芯片，其中信号记录接口及刺激输入接口与模拟开关的一侧相连，电极通道接口与模拟开关的另一侧相连，I/O控制指令线与切换模拟开关芯片连接；所述伪迹消除单元主要包括放电模拟开关芯片，模拟开关一侧与电极通道接口连接，另一侧接地；所述的开关切换单元和伪迹消除单元中，分别用于开关切换单元和伪迹消除单元的模拟开关器件；用于给所述模拟开关器件传递切换控制信号的I/O控制指令线。

进一步地，所述微控制器单元主要包含微处理器、供电部分、通讯部分、I/O输出控制部分、运行状态指示部分；所述的微处理器主要实现本装置与外部设备通讯及对所述模拟开关芯片的切换控制；通讯部分集成于所述微处理器内部，用于接收装置外部设备的数据及控制指令；I/O输出控制部分用于实现对开关切换单元和伪迹消除单元模拟开关的切换选择控制及开关芯片的工作使能；运行状态指示部分通过所述微控制器控制驱动，用于指示本实用新型装置的系统运行状态。

进一步地，所述接口单元主要包含信号记录接口、刺激输入接口、电极通道接口、通讯控制接口以及供电接口，主要为了提供开关芯片及微处理器工作电源及模式控制指令输入等。

使用本实用新型的系统模式切换装置，对系统进行工作模式的切换以及对刺激引起的累积电荷实现快速放电通过以下步骤实现：

主要包括用于对所述微处理器设置切换时间参数的参数设置步骤；用于与系统外部设备进行通讯交互的通讯步骤；用于在微处理器接收控制指令后，产生开关选择信号、切换控制模式的模式选择步骤；用于开关切换单元完成通道时序切换的步骤，以及用于在伪迹消除单元完成通道切换放电的步骤。其中，用于开关切换单元完成通道时序切换的步骤，以及用于在伪迹消除单元完成通道切换放电的步骤包括如果所述微处理器判断未收到刺激指令，则装置一直维持神经信号记录模式；如果所述微处理器判断收到需要对某通道进行刺激指令，则由所述微处理器按照接收的控制指令，直接控制开关切换单元，将需要进行刺激的通道由预置记录通道切换到刺激通道，即进入刺激输入模式；判断刺激完成之后，由所述微处理器产生切换信号控制所述伪迹消除单元进行切换接地放电，将刺激通道切换回原记录通道，等待一段时间的放电完成之后，断开接地放电通路，即回到神经信号记录模式。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：(1)该装置的开关切换部分使用高速模拟开关芯片，切换速度快；(2)针对刺激之后存在通道电荷累积饱和的现象，加入了伪迹消除单元，减少其对实验分析的干扰，间接提高了切换效率以及预警准确率；(3)该装置运行模式参数可以根据实验需要进行修改，以适应不同的实验范式；(4)该装置结构简单，小型化，可实现与现有神经信号和电刺激系统的集成。本实用新型装置是一种用于闭环神经电调控系统的通道切换装置，可完成闭环神经电调控系统对信号通道的快速模式切换，实现对刺激伪迹的快速放电，可用于在体神经信号的同步记录和刺激。

附图说明

图1为本实用新型模式切换装置结构示意框图。

图2为本实用新型装置系统各部件连接示意图。

图3为本实用新型开关切换单元与伪迹消除单元的电路连接原理图。

图4为本实用新型微控制器的一种实施方式结构框图。

图5为本实用新型微控制器单元的电路原理图。

图6为本实用新型实验过程流程图。

具体实施方式

本实用新型结合附图和实施例作进一步的说明。

实施例1

参见图1，本实用新型的用于闭环神经电调控系统的一种记录-刺激模式切换装置，由开关切换单元1、伪迹消除单元2、微控制器单元3、接口单元4组成，开关切换单元1主要包括切换模拟开关芯片5，伪迹消除单元2主要包括放电模拟开关芯片6，微控制器单元3主要包括微处理器7。

图1显示的是针对8通道的切换装置结构示意框图。本实用新型可通过增加模拟开关芯片的数量来扩展参与切换的通道数。本实用新型的一个应用实例采用4组图1中的模拟开关芯片，将装置扩展为32通道。

参见图2，为本实用新型装置系统各部件连接示意图。图中给出了开关切换单元1、伪迹消除单元2与微控制器单元3及接口单元4各部件之间的连接关系。其中，开关切换单元1、伪迹消除单元2通过I/O控制指令线13与微控制器单元3连接；开关芯片及微处理器的工作电源主要由供电接口12提供，即正负15V和3.3V，本模式切换装置工作运行时，其供电均由闭环电调控系统主设备供电；开关切换选择、控制模式等指令输入主要由通讯控制接口11提供；另外，大脑植入式微电极接口与电极通道接口10连接；装置外部神经信号采集处理系统与信号记录接口8连接；本装置外部刺激器系统输出与刺激输入接口9连接。

参见图3，为本实用新型开关切换单元1与伪迹消除单元2的电路连接原理图。图示只给出针对8通道的开关切换单元及电荷放电单元的电路原理图。本实用新型模式切换装置的一个应用实例采用4组图3中的模拟开关电路，即本实用新型装置可实现32路闭环神经电调控系统的模式切换。由于每次通道刺激完成之后，往往伴随刺激电荷的累积，甚至出现电荷饱和的现象，需要较长的时间才能恢复到真实神经信号状态，在信号的波形中表现出较长的放电伪迹，对其他记录通道记录的信号质量造成较大影响，也极大的干扰了神经信号记录及实验人员等对信号的观察分析，并且间接降低了闭环神经电调控系统的通道的开关切换效率和预警准确率，所以本实用新型装置特意加入了刺激伪迹消除单元。

图3中所示，每一组包含三片模拟开关芯片，其中的模拟开关芯片亦可以由其他模拟开关器件来实现。本实用新型应用实例中，每一组的开关切换单元1，采用两片ADG1434芯片，每片拥有四组单刀双掷模拟开关，能实现刺激通道与信号记录通道之间的高速切换；而每一组伪迹消除单元2，采用一片ADG1208芯片，每片拥有一组单刀八掷模拟开关，实现对刺激完成后通道累积电荷的快速接地放电，达到迅速消除信号波形伪迹的效果。所述开关切换单元模拟开关芯片5，其中信号记录接口8以及刺激输入接口9与模拟开关的一侧相连，电极通道接口10与模拟开关的另一侧相连，I/O控制指令线13与模拟开关芯片连接；所述伪迹消除单元模拟开关芯片6，模拟开关一侧与电极通道接口10连接，另一侧接地。即实际的操作过程中，电刺激伪迹的消除是将刺激电荷累积通道进行快速接地放电方式实现的。

参见图4，给出了本实用新型微控制器单元3的一种实施方式。微控制器单元3主要包括微处理器、供电部分、通讯部分、I/O输出控制部分、运行状态指示部分。其中，通讯部分实现外部设备与微处理器之间的数据及控制指令的输入通讯；I/O输出控制部分是由微处理器直接控制操作，实现对开关切换单元1和伪迹消除单元2模拟开关的切换选择控制及开关芯片的工作使能；运行状态指示部分为几个不同颜色的LED指示灯，作为对系统运行状态的指示。

参见图5，为本实用新型微控制器单元3的电路原理图。其中微处理器可以由AVR单片机、MSP430单片机、ARM微控制器或其他处理器来实现。考虑成本和需求，本实用新型的一个应用实例采用高性能的Atmega128系列的AVR单片机实现。微处理器主要有两个任务：一是等待外部设备发送过来的模式选择控制指令，决定相应的输出控制方式；二是根据输出控制方式，利用I/O输出控制部分输出相应的电平到开关切换单元1或者伪迹消除单元2。其中，微处理器7与外部设备的通讯采用的是I²C总线来实现。切换模拟开关芯片5、放电模拟开关芯片6通过I/O控制指令线13与微处理器7的I/O输出控制部分连接，I/O输出控制端口设置为输出模式，通过I/O输出控制端口输出高低电平进行对开关芯片进行工作使能及切换控制。

本实用新型装置的工作过程说明如下：本实用新型是一种用于闭环神经电调控系统的模式切换装置，需要与神经电调控系统配合连接使用。在系统工作运行之前，先将本装置的信号记录接口8、刺激输入接口9、通讯控制接口11及供电接口12等与外部电调控系统进行对接，接着将本装置的电极通道接口10与大脑植入式微电极接口进行连接。参照图6所示，给出了本实用新型装置实验工作流程。首先将本实用新型装置上电，并对系统的相关参数进行设置输入，其中参数主要包括通道模式的选择、开关切换及放电延时的时间等。

正常情况下，如果本装置所述微处理器7判断未接收到外部刺激指令，即不需要进行刺激，则装置一直维持神经信号记录模式，绿色LED亮进行信号记录模式指示。如果本装置所述微处理器7判断收到需要对某通道进行刺激的指令，即模式选择控制指令，则第一步由本装置的微处理器7判断通道选择与切换相关数据信息，并决定相应的通道切换控制方式，然后根据相应的控制方式，利用I/O控制指令线13输出相应的电平到开关切换部分1。接着，开关切换部分1会将需要进行刺激的通道由预置记录通道切换到刺激通道，其他通道保持记录状态不变，即进入刺激输入模式，红色LED亮进行刺激输入模式指示。第二步，当刺激完成之后，同样由外部电调控系统发送控制指令到本装置的微处理器7，微处理器7判断接收刺激完成指令，同样利用I/O控制指令线13输出相应的电平到开关切换部分1和伪迹消除单元2，由伪迹消除单元2切换选择相应的刺激通道并接通到地，开关切换部分1相应通道由刺激通道切换回原预置记录通道。伪迹消除单元2经过一定时间延时，等待累积电荷放电过程的完成，红、绿色LED均亮进行延时放电模式指示。第三步，当放电完成，微处理器7控制伪迹消除单元2，将接通到地的放电通路断开。至此，本实用新型装置切换回到初始持续神经信号记录模式。

Claims (4)

1.一种记录-刺激模式切换装置，其特征在于，由开关切换单元(1)、伪迹消除单元(2)、微控制器单元(3)以及接口单元(4)四个部分组成，开关切换单元(1)主要包括切换模拟开关芯片(5)，伪迹消除单元(2)主要包括放电模拟开关芯片(6)，微控制器单元(3)主要包括微处理器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种记录-刺激模式切换装置，其特征在于，所述开关切换单元(1)主要包括切换模拟开关芯片(5)，其中信号记录接口(8)及刺激输入接口(9)与模拟开关的一侧相连，电极通道接口(10)与模拟开关的另一侧相连，I/O控制指令线(13)与切换模拟开关芯片(5)连接；所述伪迹消除单元(2)主要包括放电模拟开关芯片(6)，模拟开关一侧与电极通道接口(10)连接，另一侧接地；所述的开关切换单元(1)和伪迹消除单元(2)中，分别用于开关切换单元(1)和伪迹消除单元(2)的模拟开关器件，用于给所述模拟开关器件传递切换控制信号的I/O控制指令线(13)。

3.根据权利要求1所述的一种记录-刺激模式切换装置，其特征在于，所述微控制器单元(3)主要包括微处理器(7)、供电部分、通讯部分、I/O输出控制部分、运行状态指示部分；所述的微处理器(7)主要实现本装置与外部设备通讯及对所述模拟开关芯片的切换控制；通讯部分集成于所述微处理器内部，用于接收装置外部设备的数据及控制指令；I/O输出控制部分用于实现对开关切换单元(1)和伪迹消除单元(2)模拟开关的切换选择控制及开关芯片的工作使能；运行状态指示部分通过所述微控制器控制驱动，用于指示本装置的系统运行状态。

4.根据权利要求1或2所述的一种记录-刺激模式切换装置，所述接口单元(4)主要包含信号记录接口(8)、刺激输入接口(9)、电极通道接口(10)、通讯控制接口(11)以及供电接口(12)，用于提供开关芯片及微处理器工作电源及模式控制指令输入。