一种高精度经颅电刺激装置

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种高精度经颅电刺激装置。

背景技术

经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)是一种非侵入式神经调控技术，通过放置于头颅表面的电极向颅内特定脑区施加恒定、低强度的电流，达到调节大脑皮层神经活动的目的。tDCS对于脑卒中、认知障碍、失语症以及老年痴呆等神经、精神类疾病都有不同的治疗作用。

传统的经颅电刺激装置，采用一阴一阳的刺激方式，电流在较大电脑区范围内弥散，甚至在整个脑区内弥散，空间聚焦性差，同时在刺激工作之前，缺乏有效的检测手段，使得刺激装置工作效率低的问题；为了解决上述问题，本申请提出一种高精度经颅电刺激装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度经颅电刺激装置，采用中心电极以及辅助电极，以一个中心极配合多个辅助电极为一组，辅助电极环绕绕中心电极安放，可配置多组同时刺激，这个配置提高了经颅电刺激的空间聚焦性，从而提高了精准度、刺激效果和后效应的持续时间；同时如果在进入正式刺激之前，预先扫描各通道接触质量，及时调整保证接触质量达到最佳状态，可有效防止刺激无效的现象发生。

本发明提供了如下的技术方案：

一种高精度经颅电刺激装置，所述经颅电刺激装置包括刺激控制单元、通道预检单元和输出电极靶形聚焦单元；所述刺激控制单元包括依次电性连接的第一人机交互端、第一微处理器、第一恒流源以及电流输出端；所述第一微处理器和电流输出端之间还连接有输出电流检测模块以及接触质量检测模块；所述通道预检单元包括依次电性连接的第二人机交互端、第二微处理器、第二恒流源、通道切换模块以及负载接口；所述通道切换模块与第二微处理器之间还连接有通道质量检测模块；所述第一微处理器和第二微处理器电性连接，所述电流输出端与通道切换模块电性连接；所述负载端口还电性连接至输出电极靶形聚焦单元。

优选的，所述第一人机交互端和第二人机交互端均包括显示模块和输入模块。

优选的，所述第一恒流源包括36V供电电源、运算放大器以及三极管，用于将第一微处理器的输入信号转换成相应大小的电流并发送至电流输出端，作为负载端口的刺激电流，从而保证负载端口的负载电阻0-15kΩ之间保持输出电流恒定不变。

优选的，所述接触质量检测模块包括差分放大模块、两个1MΩ电阻以及200kΩ电位器，所述差分放大模块通过两个1MΩ电阻以及200kΩ电位器并联于电流输出端从而实时采集负载端口的两端的电压值。

优选的，所述输出电流检测模块包括电流检测放大器、20Ω电阻以及20kΩ电阻，所述20Ω电阻以及20kΩ电阻均为0.1％精度，所述电流检测放大器通过20Ω电阻串联在输出回路并通过一个20kΩ电阻调整输出增益为60dB然后将输出信号送至第一微处理器从而实时采集电流输出端的电流值。

优选的，所述第二恒流源包括5V供电电源、可调电阻、运算放大器以及三极管，通过可调电阻调整运放的输入电压，从而配置输出扫描电流，并发送至通道切换模块，作为通道质量检测模块的扫描电流。

优选的，所述通道切换模块包括七个电磁继电器，七个所述电磁继电器的控制端均连接至第二微处理器；其中一个为输入继电器、一个为输出继电器以及五个连接继电器，所述输入继电器用于从电流输出端接收刺激电流或从第二恒流源接收扫描电流，并将刺激电流或扫描电流输入四个连接继电器；四个所述连接继电器将刺激电流通过负载端口输入至输出电极靶形聚焦单元，所述电极靶形聚焦单元的回流电流通过负载端口、另一个连接继电器、输出继电器回流至电流输出端；四个所述连接继电器将扫描电流通过负载端口输入至输出电极靶形聚焦单元，所述电极靶形聚焦单元的回流电流通过负载端口、另一个连接继电器、输出继电器回流至第二恒流源。

优选的，所述负载端口包括五个通道，其中四个为阳极或阴极通道，另外一个为极性相反的通道。

优选的，所述通道质量检测模块包括差分放大模块、两个1MΩ电阻以及100kΩ电位器，所述差分放大模块通过两个1MΩ电阻以及100kΩ电位器并联于通道切换模块两端从而实时采集负载端口的两端的电压值。

优选的，所述输出电极靶形聚焦单元包括电极帽、配置于电极帽上的电极托以及配置于电极托上的四个辅助电极和一个中心电极，所述辅助电极与中心电极为极性相反的阳极或阴极；四个所述辅助电极围绕中心电极环绕布置，所述中心电电极或辅助电极采用Ag/AgCl电极，直径12mm。

本发明的有益效果是：

本发明的一种高精度经颅电刺激装置，可以在刺激模块和扫描模式之间切换，刺激模式采用中心电极以及辅助电极，以一个中心极配合多个辅助电极为一组，辅助电极环绕绕中心电极安放，可配置多组同时刺激，这个配置提高了经颅电刺激的空间聚焦性，从而提高了精准度、刺激效果和后效应的持续时间；扫描模式，在进入正式刺激之前，预先扫描各通道接触质量，及时调整保证接触质量达到最佳状态，可有效防止刺激无效的现象发生。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明整理结构示意图；

图2是通道切换模块示意图；

图3是输出电极靶形聚焦单元示意图。

具体实施方式

如图1所示，该高精度经颅电刺激装置，经颅电刺激装置包括刺激控制单元、通道预检单元和输出电极靶形聚焦单元；刺激控制单元包括依次电性连接的第一人机交互端、第一微处理器、第一恒流源以及电流输出端；第一微处理器和电流输出端之间还连接有输出电流检测模块以及接触质量检测模块；通道预检单元包括依次电性连接的第二人机交互端、第二微处理器、第二恒流源、通道切换模块以及负载接口；通道切换模块与第二微处理器之间还连接有通道质量检测模块；第一微处理器和第二微处理器电性连接，电流输出端与通道切换模块电性连接；负载端口还电性连接至输出电极靶形聚焦单元。

第一人机交互端和第二人机交互端均包括显示模块和输入模块，显示模块由用两个四位共阴极数码管，一个两位共阴数码管，一个十段数码管组成分别用于显示实际输出电流、频率、时间和刺激接触质量；输入模块可由旋转开关、编码器、开始按键、结束按键。由用户根据刺激方案选择相应的设置，该模块这设置完成后产生相应的信号供第一微处理器和第二微处理器读取。

刺激模式：

第一微处理器在收到第一人机交互端开始触发信号后根据第二微处理器判断通道预检单元所处于状态，若通道预检单元处于通道质量预检测模式则忽略该触发信号，若通道预检单元处于刺激模等待式，则第一微处理器根据触发信号产生相应的波形输出至第一恒流源，第一恒流源将刺激电流通过通道切换模块、负载端口输入至输出电极靶形聚焦单元；第一微处理器在输出波形后定时读取输出电流检测模块与接触质量检测模块的输入信号在对其经过ADC转换后送入显示模块，实时显示。

第一恒流源模块负责将输入信号转换成与之相应的电流大小送至电流输出端，具体的，第一恒流源包括36V供电电源、运算放大器以及三极管，用于将第一微处理器的输入信号转换成相应大小的电流并发送至电流输出端，作为负载端口的刺激电流，从而保证负载端口的负载电阻0-15kΩ之间保持输出电流恒定不变。

电流输出端负责将上述第一恒流源的恒流电流经过排线接入通道预检单元的通道切换模块中。

接触质量检测模块包括差分放大模块(AD8479)、两个1MΩ电阻以及200kΩ电位器，差分放大模块通过两个1MΩ电阻以及200kΩ电位器并联于电流输出端从而实时采集负载端口的两端的电压值。

输出电流检测模块包括电流检测放大器(LT6102)、20Ω电阻以及20kΩ电阻，20Ω电阻以及20kΩ电阻均为0.1％精度，电流检测放大器通过20Ω电阻串联在输出回路配合20kΩ电阻调整输出增益从而实时采集电流输出端的电流值；通过20Ω电阻采样电流20KΩ电阻对信号放大1000倍(增益为60dB)，若电流为1mA则该模块输出1V电压、若电流为2mA则输出电压为2V、该模块将输出信号传入第一微处理器经过ADC转换得出定时电流值。

第一微处理器根据电压值和电流值可得出负载端口处的阻抗(输出电极靶形聚焦单元)，送入显示模块，实时显示。

扫描模式：

第二微处理器在收到第二人机交互端开始触发信号，在上电之初，处于通道质量扫描模式，可通过通道预检单元在刺激模式与扫描模式之间切换，若处于刺激模式则第二微处理器通过一根信号线将状态信号送入第一微处理器通知第一微处理器此时可输出电流，并将通道质量信号送入显示模块，进行显示。

第二恒流源包括5V供电电源、可调电阻、运算放大器(OPA735)以及三极管(BC546)，通过可调电阻调整运放的输入电压，从而配置扫描电流的大小，并将电流发送至通道切换模块(固定恒电流大小为100uA)，作为通道质量检测模块的扫描电流。

通道质量检测模块包括差分放大模块(AD8479)、两个1MΩ电阻以及100kΩ电位器，差分放大模块通过两个1MΩ电阻以及100kΩ电位器并联在上述第二恒流源与通道切换模块之间，并将信号输入第二微处理器，第二微处理器对信号经过ADC转换后结合100uA扫描电流得出通道阻抗，然后转换为显示系数送入显示模块，进行显示。

刺激模式/扫描模式的切换：

如图2所示，通道切换模块包括七个电磁继电器，七个电磁继电器的控制端均连接至第二微处理器，通过第二微处理器进行调节控制；其中一个为输入继电器、一个为输出继电器以及五个连接继电器，输入继电器用于从电流输出端接收刺激电流或从第二恒流源接收扫描电流，并将刺激电流或扫描电流输入四个连接继电器；

四个连接继电器将刺激电流通过负载端口输入至输出电极靶形聚焦单元，电极靶形聚焦单元的回流电流通过负载端口、另一个连接继电器、输出继电器回流至电流输出端；

四个连接继电器将扫描电流通过负载端口输入至输出电极靶形聚焦单元，电极靶形聚焦单元的回流电流通过负载端口、另一个连接继电器、输出继电器回流至第二恒流源。

与连接继电器对应的负载端口包括五个通道，其中四个为阳极或阴极通道(激励通道)，另外一个为极性相反的通道(返回通道)，若处于扫描模式则激励通道1-4单个循环打开，返回通道常开，当循环至通道五时，五个通道全部打开，若处于刺激模式时五个通道全部打开；此时扫描的阻抗为四个通道的并联阻抗。

显示通道质量范围为0～19.9、该数值与阻抗满足线性对应关系y＝kx，(k＝1/5)若通道质量为2则对应接触通道阻抗为10kΩ，通过该数值用户可调整各通道的连接情况、确保通道5质量显示在3以下以保证模块A的电流可以得到有效输出。同时，若显示“1.”(人为设定的数值表示)，则表示开路。

如图3所示，输出电极高精度靶形聚焦单元，该模块由4个辅助电极和1个中心电极(中心极可选阴极或阳极，辅助电极与中心电极极性相反)配合EEG10-10脑电帽及电极托组成，4个辅助电极围绕中心电极环绕安放，既选择距离中心电极最近的(或间隔一个)四个点位，这种电极的安置方法会在电极所围绕的区域内产生径向电场，峰值电场处于中心电极下方，并且有效的将脑电流分布限制在辅助电极所包围的皮层之内，增加刺激精度，与传统的tDCS相比，这种安置方式可以产生更多的局部性脑刺激，后效应时间更长。同时配合上述负载端口的极性切换来完成对中心电极下的脑功能区的兴奋和抑制的治疗。上述高精度电极采用Ag/AgCl电极，直径12mm，抗干扰性能强，不易极化，精度高，噪声小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。