CN103394161A - 一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***，由磁刺激发生仪、脑电仪和计算机组成。该***通过将磁刺激发生仪的喇叭状刺激线圈固定在人体穴位上进行磁刺激，用脑电仪采集脑电信号，脑电数据处理计算机对大脑α波进行功率谱分析，并计算脑电α波能量，绘制和显示α波动态脑电地形图；根据脑电α波能量和动态脑电地形图分别自动反馈调节和手动调节刺激强度、刺激频率和刺激波形，以达到最佳经穴磁刺激效果。本发明可以促进脑瘫病人的神经***恢复以及肢体瘫痪病人的自主康复训练。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械技术领域，涉及一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***。
背景技术
目前，脑瘫和截瘫病人的物理康复治疗手段主要采用针灸、功能电刺激等方法。功能电刺激疗法采用刺激电极作用于患者特定部位，恢复患者的部分运动功能，加速康复速度。但是，无论是功能电刺激疗法还是针灸疗法，都会对患者产生疼痛感和创伤性，都需依赖患者的主观感受和医生的经验，定性施加刺激输入方式，势必会影响康复治疗的效果。
磁刺激技术通过放置在被刺激部位的磁线圈产生瞬时脉冲刺激，出现一个垂直于线圈平面的磁场，利用该时变磁场在生物体内诱发电场并产生感应电流，以此刺激可兴奋组织。经穴磁刺激是将磁刺激技术与传统中医穴位理论相结合，利用磁线圈产生感应电流刺激穴位，激活与穴位相连通的组织细胞。由于穴位附近神经和血管比较丰富，刺激穴位会增强神经***的功能、改善受损伤部位血液循环和新陈代谢，使得受损组织和细胞得以快速康复，从而达到治疗疾病和康复的效果。磁刺激穴位具有无痛、无创伤、不直接接触、易于重复和进行深部刺激等优点。
国内外经穴磁刺激***所采用的磁刺激线圈不是专门经穴磁刺激线圈，有的采用经颅磁刺激仪的磁线圈，有的采用小磁铁，这势必对磁刺激的精确性及可靠性产生较大影响。
磁线圈的形状和结构直接影响感应电场的分布，决定磁场的聚焦性和刺激深度。因此，线圈设计是磁刺激***的核心问题。传统的8字型或双8字型线圈，以及Slinky线圈在刺激深度和聚焦性方面均难以达到经穴磁刺激的要求，只适用于皮层磁刺激。
此外，现有的康复刺激装置目前均是依照患者的主观感觉和医生的经验进行刺激调节。对于失去与外界沟通能力的患者，容易导致过量刺激或刺激强度不够，不能达到有效和最佳治疗，甚至造成额外的创伤。另外，医护人员对刺激方式的调节是根据经验进行，不能对患者接受刺激的效果进行定量化，并根据量化结果进行实时动态调节，难以达到预期治疗效果。如何寻求针对不同患者的最佳磁刺激强度、刺激频率和刺激波形，是康复领域一个需要解决的关键问题。
发明内容
大脑α波是一种自发的脑电节律，频段分布在8-13Hz，正常人在处于自然放松状态时，大脑会出现大量的α脑电波。研究发现α波是适于大脑潜意识活动的状态，人们可以通过潜意识很好地获取大量信息，大脑α波是取得高效记忆的最佳状态，能促进灵感、加快资料收集、增强记忆。
为克服现有技术的不足，本发明提供一种利用脑电α波能量，反馈调节经穴磁刺激参数，优化磁刺激输入的经穴磁刺激***和实现方法。该发明可以促进脑瘫病人的神经***恢复，也适用于肢体瘫痪病人的自主康复训练。
本发明提供的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***，由磁刺激发生仪、脑电仪和计算机组成；磁刺激发生仪包括单片机和刺激线圈；所述的单片机包括刺激强度调节模块、刺激频率调节模块和刺激波形调节模块，刺激线圈为满足磁场聚焦在1cm2范围内、磁场刺激深度达到1.5-2cm的喇叭状磁线圈；所述的脑电仪包括脑电电极，脑电放大器和A/D转换模块；所述的计算机包括脑电数据处理模块，脑电数据处理模块包括脑电α波功率谱实时分析模块和动态脑电地形图实时显示模块。
所述的刺激强度调节模块，用于接收脑电数据处理模块发送的强度调节指令，通过增大或减小刺激强度，逐次比较刺激强度调节前、后的脑电α波能量，获得α波能量最大时的刺激强度，输出到磁刺激发生仪。
所述的刺激频率调节模块，用于接收脑电数据处理模块发送的刺激频率调节指令，通过增大或减小刺激频率，逐次比较刺激频率调节前、后的脑电α波能量，获得α波能量最大时的刺激频率，输出到磁刺激发生仪。
所述的刺激波形调节模块，用于接收脑电数据处理模块发送的刺激波形调节指令，通过切换不同刺激波形，比较施加不同刺激波形时的脑电α波能量，选取α波能量最大时的刺激波形，输出到磁刺激发生仪。
所述的脑电α波功率谱实时分析模块，用于对大脑α波功率谱进行实时分析，计算α波能量，提供用于反馈调节刺激强度、刺激频率和刺激波形的数字指令。
所述的动态脑电地形图实时显示模块，用于实时显示大脑α波能量的地形图，作为手动按键调节刺激强度、刺激频率和刺激波形的依据。
所述的喇叭状刺激线圈的大口径、小口径、轴向高度及线圈匝数，满足麦克斯韦方程。优选喇叭状刺激线圈的大口径0.5cm、小口径0.1cm、轴向高度0.25cm、线圈匝数单层25匝，共5层，导线为线径1mm的铜线。
其实现方法，步骤包括：
将磁刺激发生仪的喇叭状刺激线圈固定在人体穴位上进行磁刺激，用脑电仪采集脑电信号，脑电数据处理模块通过AR模型功率谱估计方法对采集的脑电信号进行处理，获得大脑α波功率谱，计算α波能量，并将其转化为刺激强度调节、刺激频率调节和刺激波形调节的数字指令反馈给单片机，单片机对磁刺激发生仪进行调节。
本发明的动态脑电地形图实时显示模块可以作为手动调节刺激强度、刺激频率和刺激波形的依据。手动调节的实现方法，步骤包括：
将磁刺激发生仪的喇叭状磁线圈固定在人体穴位上进行磁刺激，脑电仪采集脑电信号，脑电数据处理模块通过基于AR模型的功率谱估计方法对采集的脑电信号进行处理，获得大脑α波功率谱，计算α波能量，绘制动态脑电地形图，通过观测动态脑电地形图，进行手动按键分别调节磁刺激强度、刺激频率和刺激波形，当动态脑电地形图呈现红色区域最大时，磁刺激发生仪输出刺激强度、刺激频率和刺激波形。
与现有技术相比，本发明的经穴磁刺激***，引入了实时脑电采集与脑电数据处理模块，对经穴磁刺激效果进行了量化，并直观显示；其磁刺激信号发生模块能够通过脑电α波功率谱和地形图，反馈调节刺激强度、刺激频率和刺激波形，优化经穴磁刺激输入方式，提高磁刺激的有效性及可靠性；所述的喇叭状刺激线圈具有良好的聚焦性和刺激深度，提高了磁刺激的精确性。该***不仅是全新的康复磁刺激技术，而且可以推广应用到其他相关刺激康复辅助器械领域。
附图说明
图1是本发明的经穴磁刺激***工作示意图。
图2是本发明的磁刺激发生仪组成结构框图。
图3是本发明的喇叭状刺激线圈剖视图。
图4是本发明的刺激线圈沿径向磁场分布图。
图5是本发明的刺激线圈沿轴向磁场分布图。
图6是本发明的脑电信号采集与处理***框图。
图7是本发明的脑电信号采集电极位置分布图。
图8是本发明的脑电信号处理流程图。
图9是本发明的磁刺激强度/频率窗口效应示意图。
图10是本发明的经穴磁刺激强度反馈调节流程图。
图11是本发明的经穴磁刺激强度效应图。
图12是本发明的经穴磁刺激频率效应图。
图13是本发明的大脑α波脑电地形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述：
实施例1
本发明所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***主要包括三大部分：磁刺激发生仪、脑电仪和计算机，***工作示意图如图1所示。首先，施加一定的磁刺激信号作用于人体穴位，进行人体经穴磁刺激（此时大脑α波会发生改变），脑电仪采集脑电信号，经过放大、滤波和A/D转换，将脑电信号送入计算机，对大脑α波进行功率谱分析，计算大脑α波能量，并绘制和显示α波动态脑电地形图。同时，根据大脑α波能量反馈调节磁刺激强度、刺激频率和刺激波形，以达到最佳经穴磁刺激效果。
本发明的磁刺激发生仪组成结构框图如图2所示，包括单片机、按键控制电路、外部存储器、液晶显示器、功率放大电路、电源电路及刺激线圈。单片机***产生不同强度和频率的正弦/脉冲波刺激信号，通过刺激线圈将磁刺激作用于人体穴位，引起大脑α波能量发生改变。
（1）单片机：采用***级MCU芯片C8051F021，它包括12位高精度ADC，电压基准电路，以及5个16位定时器，5通道PCA和32个数字I/O口等。其主要功能为：自动调节时，定时器扫描串口，接收数据处理计算机发送的控制指令，对磁刺激发生仪的刺激强度、刺激频率及刺激波形进行反馈调节；手动调节时，定时器扫描按键，对刺激强度、刺激频率和刺激波形进行调节。
（2）按键控制电路：它是本装置的人机交互电路，用于手动调节磁刺激发生仪输出的刺激强度、刺激频率和刺激波形，它包括四个按键：模式、加、减、确定。
（3）液晶显示器：用于显示刺激强度、频率等参数的界面。本实施例中采用LCD1602ZFA液晶显示器，具有16个引脚，显示容量为16*2个字符，工作电压4.5-5.5V，工作电流2.0mA，字符尺寸2.95*4.35mm。
（4）外部存储器：对本装置刺激信号强度、刺激频率和刺激波形的具体参数进行存储。本实施例中外部存储器采用AT24C02芯片。该芯片为CATALYST公司利用CMOS技术生产的一个2K位串行CMOS EEPROM。AT24C02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。当每一次改变刺激信号的强度、频率及波形后，通过I2C总线对刺激参数进行存储。
（5）功率放大电路：包括两部分，一是电压/电流转换电路，二是电流放大电路。
电压/电流转换电路对单片机DAC端输出的电压信号进行电压/电流转换。本实施例中采用高速JFET双运放TL082芯片，结合简单***电路，可以实现将单片机DAC端输出的电压信号转换为电流信号。
本实施例中电流放大电路以集成功率放大芯片TDA2030为核心，结合简单***电路，组成双电源功率放大电路，使得输出到刺激线圈的电流为所需要达到的电流大小，从而产生相应的磁场强度。
经穴磁刺激***刺激强度调节是通过改变电流放大电路中的电阻实现的，表现为单片机控制电路中数字电位器阻值改变。本实施例中所使用的数字电位器为美国Xicor公司生产的数字电位器X9313Z，阻值变化范围为0-1KΩ。其内部包含控制电路、5位二进制可逆计数器、32选1译码器、5位E2PROM及电阻阵列。电阻阵列包含有31个电阻单元，滑动增量为32.3Ω。
（6）刺激线圈：图3为喇叭状刺激线圈剖视图，其口径、轴向高度及线圈匝数，满足麦克斯韦方程。本实施例中通过创建有限元模型，利用Ansys软件仿真，优选大口径0.5cm、小口径0.1cm、轴向高度0.25cm、线圈匝数单层25匝，共5层，导线线径1mm的铜线，以圆台状尼龙棒做骨架，绕制成喇叭状刺激线圈。
图4为本实施例中实测的刺激线圈沿径向磁场分布图，从图中可以看出，磁场主要聚焦在面积为1cm2的圆形区域内，磁场分布具有较好的聚焦性。
图5为本实施例中实测的刺激线圈沿轴向磁场分布图，从图中可以看出，磁场在距离喇叭状线圈小口径中心轴向1cm处，磁场强度可达到3mT左右。
由于人体穴位大约处在表皮下1.5cm左右，穴位面积约为1cm2，上述磁线圈的磁场分布测量结果符合穴位刺激的聚焦性及刺激深度的要求。
图6为脑电信号采集与处理***框图。脑电数据采集与处理***包括脑电仪和计算机。其中，脑电仪由脑电电极、脑电放大器和A/D转换器组成。脑电仪输出数字化脑电信号给计算机，计算机对大脑α波进行功率谱分析，计算大脑α波能量，绘制动态脑电地形图，并通过RS232串口将反馈调节指令输出给磁刺激发生仪，调节磁刺激发生仪的刺激强度、刺激频率和刺激波形，获得改善大脑α波含量的最佳刺激强度、刺激频率和刺激波形。
本实施例中采用北京中科新拓公司生产的型号为UE-BZ的16导便携式脑电仪，实现脑电信号采集，采样频率为1KHz，分辨率为0.5μv，采用USB接口直接供电。
脑电信号采集电极位置分布如图7所示，采用国际“10-20”电极安放标准，脑电数据处理选取C3、C4、Cz、P3、P4、Pz6个导联的脑电数据。
图8为脑电数据处理流程图。首先对脑电采集信号进行8-13Hz带通滤波，对滤波后的信号进行AR模型功率谱估计，得到脑电功率谱密度，进而计算大脑α波能量，并绘制大脑α波动态脑电地形图，根据大脑α波能量自动反馈调节磁刺激发生仪的刺激参数和波形。
图9为磁刺激强度/频率窗口效应示意图。现有研究发现磁刺激具有窗口效应，类似于抛物线变化。由图可以看出，大脑α波能量会随着刺激强度/频率增强而逐渐增大，当刺激达到某一值，大脑α波能量进入一个稳定的平台期，之后会随着刺激强度/频率增强而逐渐减少，继续增加刺激强度/频率后，大脑α波能量会小于自发脑电α波能量。
图10为经穴磁刺激强度反馈调节流程图。具体调节方法为：首先，计算大脑自发脑电α波能量E0，置初始刺激强度对人体穴位进行磁刺激，采集脑电信号并计算上述6个导联α波能量平均值E1，如果E1<E0，则减小刺激强度，并计算6个导联α波能量平均值，直到此能量值大于等于E0；如果E1≥E0，则增加刺激强度，并计算6导联α波能量平均值E2。如果E2>E1，则继续增加刺激强度，并计算6导联α波能量平均值，逐次比较前、后两次刺激强度对应的α波能量平均值，直到能量值不再增加为止；如果E2<E1，则减小刺激强度，并计算6导联α波能量平均值，逐次比较前、后两次刺激强度对应的α波能量平均值，直到α波能量值不再增加为止。输出该刺激强度，进行经穴磁刺激。
刺激频率调节方法与刺激强度调节方法类似，在此不再赘述。
刺激波形调节方法为：首先进行正弦波经穴磁刺激，采集脑电信号并计算大脑6导联α波能量平均值，然后切换到脉冲波进行磁刺激，再次采集脑电信号并计算大脑6导联α波能量平均值，将两次α波能量平均值进行比较，选择对应α波能量值较大的磁刺激波形，进行经穴磁刺激。
本实施例中选择每5秒计算一次大脑α波能量，需要增加或减小刺激强度时，计算机向单片机发送数字指令“11”或“00”，单片机控制刺激强度改变，本实施例中表现为数字电位器阻值变化32.3Ω；需要增加或减小刺激频率时，计算机向单片机发送数字指令“10”或“01”，单片机控制刺激频率改变，本实施例中设置刺激频率每次变化10Hz。
10位受试者（男女各半，平均年龄25岁）采用了本发明的经穴磁刺激***进行试验。图11为其中一位受试者不同强度磁刺激对应的大脑α波能量，由图可以看出，该受试者磁刺激强度达2mT时，脑电α波能量最大。图12为其中一位受试者在固定2mT刺激强度下，不同频率磁刺激对应的大脑α波能量，由图可以看出，该受试者磁刺激频率在200Hz处脑电α波能量最大。10名受试者实验结果均表明脉冲波刺激，对于改善大脑α波能量效果更显著。
图13为大脑α波脑电地形图。脑电地形图是应用图形技术表征大脑的生理信息，能直观的利用彩色平面反应大脑的神经活动。绘制动态脑电地形图具体实现过程为：
（1）功率谱估计：采集16导脑电信号，进行AR模型功率谱估计，将脑电功率谱划分为五个频段，分别表示δ,θ,α,β,γ节律，计算各导联8-13Hz频段上的α波能量；
（2）插值计算：采用空间插值方式，计算各插值点的α波能量；
（3）颜色映射：将α波能量值分成若干个等级，映射为不同颜色，其中蓝色代表α波能量最小值，红色代表α波能量最大值；
（4）脑电地形图绘制：利用双缓存绘图方式，在缓存中将所有α波能量值逐点赋RGB值，然后一次性拷贝到计算机屏幕，显示动态脑电地形图。
实施例2
实施例2是利用实施例1绘制的α波动态脑电地形图，通过实时观测脑电地形图，使用磁刺激发生仪中的手动调节按键向单片机发出控制指令，单片机***对磁刺激发生仪的刺激强度、刺激频率和刺激波形进行调节。
大脑α波脑电地形图作为手动调节磁刺激参数的依据，可以配合α波自动反馈调节刺激参数使用。通过手动调节刺激强度、刺激频率或刺激波形，使受试者大脑α波能量处于一个较高的范围，在地形图上以红色区域最大表示。
将磁刺激发生仪的喇叭状线圈固定在受试者穴位上进行磁刺激，脑电仪采集脑电信号，脑电数据处理模块通过AR模型功率谱估计方法对采集的脑电信号进行处理，获得大脑α波功率谱，计算α波能量，绘制动态脑电地形图，根据地形图用手动按键分别调节刺激强度、刺激频率和刺激波形，当动态脑电地形图呈现红色区域最大时，磁刺激发生仪输出刺激强度、刺激频率和刺激波形。
这种手动调节模式克服了传统电、磁刺激凭医生经验主观判断刺激效应的缺陷，保证了经穴磁刺激治疗和康复训练的有效性及可靠性。
本发明所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***安全、有效，利用脑电α波能量对经穴磁刺激效果进行了量化和反馈调节，利用动态脑电地形图对经穴磁刺激效果进行了直观显示，对于经穴磁刺激改善大脑有益的α波能量具有显著作用。该***实现方法便捷、可靠，具有自动调节和手动调节两种功能，无需医护人员操作，节省了大量人力和物力。
申请人已经就本发明的构思及实施方案做了详细的说明，但是，在上述说明的基础上对于本专业的技术人员还可以做出改进和变换。但改进和变换仍在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***，其特征在于，由磁刺激发生仪、脑电仪和计算机组成；磁刺激发生仪包括单片机和刺激线圈；所述的单片机包括刺激强度调节模块、刺激频率调节模块和刺激波形调节模块，刺激线圈为满足磁场聚焦在1cm2范围内、磁场刺激深度达到1.5-2cm的喇叭状磁线圈；所述的脑电仪包括脑电电极，脑电放大器和A/D转换模块；所述的计算机包括脑电数据处理模块，脑电数据处理模块包括脑电α波功率谱实时分析模块；
所述的刺激强度调节模块，用于接收脑电数据处理模块发送的刺激强度调节指令，通过增大或减小刺激强度，逐次比较刺激强度调节前、后的脑电α波能量，获得α波能量最大时的刺激强度，输出到磁刺激发生仪；
所述的刺激频率调节模块，用于接收脑电数据处理模块发送的刺激频率调节指令，通过增大或减小刺激频率，逐次比较刺激频率调节前、后的脑电α波能量，获得α波能量最大时的刺激频率，输出到磁刺激发生仪；
所述的刺激波形调节模块，用于接收脑电数据处理模块发送的刺激波形调节指令，通过切换不同刺激波形，比较施加不同刺激波形时的脑电α波能量，选取α波能量最大时的刺激波形，输出到磁刺激发生仪；
所述的脑电α波功率谱实时分析模块，用于对大脑α波功率谱进行实时分析，计算α波能量，提供用于反馈调节刺激强度、刺激频率和刺激波形的数字指令。
2.如权利要求1所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***，其特征在于，所述的刺激线圈为喇叭状刺激线圈，其大口径、小口径、轴向高度及线圈匝数，满足麦克斯韦方程。
3.如权利要求2所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***，其特征在于，所述的喇叭状刺激线圈的大口径为0.5cm、小口径为0.1cm、轴向高度为0.25cm、线圈匝数单层25匝，共5层，导线为线径1mm的铜线。
4.如权利要求1所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***的实现方法，其特征在于，步骤包括：
将磁刺激发生仪的喇叭状刺激线圈固定在人体穴位上进行磁刺激，用脑电仪采集脑电信号，脑电数据处理模块通过AR模型功率谱估计方法对采集的脑电信号进行处理，获得大脑α波功率谱，计算α波能量，并将其转化为刺激强度调节、刺激频率调节和刺激波形调节的数字指令反馈给单片机，单片机对磁刺激发生仪进行调节。
5.如权利要求1所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***，其特征在于，所述的脑电数据处理模块还包括动态脑电地形图实时显示模块；
所述的动态脑电地形图实时显示模块，用于实时显示大脑α波能量的地形图，作为手动按键调节刺激强度、刺激频率和刺激波形的依据。
6.如权利要求5所述的一种大脑α波反馈调节的经穴磁刺激***的实现方法，其特征在于，步骤包括：
将磁刺激发生仪的喇叭状刺激线圈固定在人体穴位上进行磁刺激，用脑电仪采集脑电信号，脑电数据处理模块通过AR模型功率谱估计方法对采集的脑电信号进行处理，获得大脑α波功率谱，计算α波能量，绘制动态脑电地形图，根据地形图用手动按键分别调节刺激强度、刺激频率和刺激波形，当动态脑电地形图呈现红色区域最大时，磁刺激发生仪输出刺激强度、刺激频率和刺激波形。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131120 |