CN108671389A - 多模式可穿戴经颅电流刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式可穿戴经颅电流刺激装置，包括：手持控制模块，其基于输入的刺激模式及刺激模式对应的刺激参数而生成控制指令，其中，刺激模式包括直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式和噪声刺激模式；可穿戴模块，其包括刺激电流产生模块和刺激电流输出模块，刺激电流产生模块对控制指令进行解码分析，刺激电流输出模块用于输出相应的刺激电流信号；蓝牙收发模块，其包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块，蓝牙发送模块用于将控制指令发送给可穿戴模块，蓝牙接收模块用于接收控制指令；多个电极；电极‑头皮阻抗监测模块以及保护模块。本发明的多模式可穿戴经颅电流刺激装置能够实现多种输出模式，便携可穿戴，且安全性高。

Description

多模式可穿戴经颅电流刺激装置

技术领域

本发明属于经颅电流刺激技术领域，涉及一种多模式可穿戴经颅电流刺激装置。

背景技术

经颅电刺激(transcranial electric current stimulation,tECS)是一种利用微弱电流调节大脑皮层神经元兴奋性的无创式大脑神经刺激技术，其通过信号发生电路产生恒定直流、脉冲、正弦或随机噪声等特征的电流信号，经过头皮电极传输至大脑神经***，影响神经元的电位和神经组织的兴奋阈值。依据所用信号的类型经颅电刺激主要分为经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)、经颅脉冲电刺激(transcranial pulse current stimulation,tPCS)、经颅交流电刺激(transcranialdirect current stimulation,tDCS)和经颅噪声刺激(transcranial random noisestimulation,tRNS)。

当前较为常用且便于操作的经颅直流电刺激通过对神经细胞膜电位的亚阈值调节，从而改变与流经靶向神经元的电流方向相关的皮质兴奋性和神经元活动。与经颅磁刺激引起大量动作电位的同步放电不同，经颅直流电刺激改变被刺激神经元放电的阈值进而改变它们发放的可能性。而经颅交流刺激等采用非恒定电流信号刺激大脑的手段，则是通过干扰大脑震荡来实现神经调节意图。

目前的用于经颅电刺激的装置还存在着结构功能简单、刺激模式单一、刺激参数可调范围窄、应用灵活性低、设备笨重且昂贵等缺陷，而具有多功能、多模式、可穿戴、便携式等优点的经颅电流刺激的装置十分稀缺。除此以外，安全性是经颅电流刺激装置需要审视的重要问题。在具体应用环境中，如遇到与头皮直接接触的电极无法完全贴合或电极-头皮界面状态变化(如盐水海绵电极水分丢失等)导致的电极-头皮界面阻抗变化，进而影响刺激电流的传输与分布。电极-头皮界面阻抗的增大更会导致头皮与电极接触部位产生较高接触电压，从而给人体带来潜在安全风险。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模式可穿戴经颅电流刺激装置，从而克服的结构功能简单、刺激模式单一、设备笨重且昂贵的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种多模式可穿戴经颅电流刺激装置，该多模式可穿戴经颅电流刺激装置包括：手持控制模块，该手持控制模块基于输入的刺激模式及刺激模式对应的刺激参数而生成控制指令，其中，刺激模式包括直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式和噪声刺激模式；可穿戴模块，其包括刺激电流产生模块和刺激电流输出模块，刺激电流产生模块对控制指令进行解码分析，针对用户要求的刺激模式及刺激参数由刺激电流输出模块输出相应的刺激电流信号；蓝牙收发模块，该蓝牙收发模块包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块，其中，蓝牙发送模块设置于手持控制模块内，用于将控制指令发送给可穿戴模块，蓝牙接收模块设置于可穿戴模块内，用于接收控制指令；多个电极，该电极与头皮贴合，用于将刺激电流信号传递至颅骨及内部大脑皮层；电极-头皮阻抗监测模块，该电极-头皮阻抗监测模块监测电极与头皮之间的阻抗值，并将阻抗值发送给所述手持控制模块；以及保护模块，当阻抗值大于安全阈值时，保护模块切断多模式可穿戴经颅电流刺激装置的电源。

在一优选的实施方式中，多模式可穿戴经颅电流刺激装置还包括：电流刺激源模块，该电流刺激源模块能够被扩展为具有多通道输出功能；以及电刺激选择模块，电刺激选择模块用于选择直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式以及噪声刺激模式中的一种模式。

在一优选的实施方式中，直流电刺激模式包括阳极刺激方式、阴极刺激方式和伪刺激方式。

在一优选的实施方式中，在直流电刺激模式中，输出电流信号在刺激开启后一段时间内输出电流逐步渐变增加至稳态，以及在刺激结束前一段时间内输出电流逐步渐变衰减至零，渐变时间在1-120s内可调，调节步长精度为1s，输出幅值范围为±5000μA，幅度调节步进100μA，电流最大波动<0.02％。

在一优选的实施方式中，在脉冲刺激模式中，完整脉冲周期持续时间在300-2000ms内可调，调节步长为100ms，脉冲周期数在1-500内可调，电流信号幅值在±5000uA内可调。

在一优选的实施方式中，在交流电刺激模式中，输出电流信号为正弦信号，幅值在0-5000uA内可调，调节步长为25uA，偏置电流在0-±1000uA内可调，调节步长为10uA，正弦信号频率在0-5KHz内可调，其中在0-500Hz频段内，调节步长为0.01Hz，在500-5kHz频段内，调节步长为10Hz，相位在0-360°内可调，相位调节步长为5°。

在一优选的实施方式中，在噪声刺激模式中，噪声信号分为低通噪声和高通噪声输出。

在一优选的实施方式中，在噪声刺激模式中，信号幅度在0-1500uA内可调，偏置电流在0-±1000uA内可调，刺激时间为0-60min，调节步长5s，淡入/淡出时间在0-120s内可调。

在一优选的实施方式中，手持控制模块还包括用户交互界面，用户交互界面具有按键控制部分，通过按键选择刺激模式对应的电路输出模式、输出电流参数及刺激时间，刺激时间在15s-60min可调，调节步进为15s。

在一优选的实施方式中，多模式可穿戴经颅电流刺激装置还包括电源模块，电源模块能够产生±30V和-5V等幅值的直流电源，直流电源能够提供最大5mA的输出电流，最大输出功率为0.15W，输出电流容错率小于1％。

与现有技术相比，根据本发明的多模式可穿戴经颅电流刺激装置具有如下有益效果：

(1)同时具有直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式和噪声刺激模式多种输出模式，各模式输出电流幅值、刺激频率、刺激时间等主要参数在较大范围内可调，应用灵活性高；(2)不仅覆盖现有经颅电刺激技术对硬件电路产生信号的需求，而且支持实时监测、回传并显示电极-头皮阻抗，通过设定预警阈值在阻抗超过安全阈值时进行预警并自动断电程序，大大提高了装置的安全性能；(3)实现了装置的小型化、便携化和可穿戴；(4)经过通道扩展能够形成多通道输出功能，可应用在高密度经颅电刺激相关的临床研究及试验中。

附图说明

图1是根据本发明的多模式可穿戴经颅电流刺激装置的结构框图示意图。

图2是根据本发明的四种刺激电流输出模式下的输出电流波形示意图。

图3是根据本发明的电源模块电路原理设计图。

图4是根据本发明的输出电流及阻抗监测电路原理设计图。

主要附图标记说明：

1-手持控制模块，2-可穿戴模块，21-刺激电流产生模块，22-刺激电流输出模块，3-蓝牙收发模块，4-电极-头皮阻抗监测模块，5-保护模块，6-电源模块，7-电极。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，根据本发明优选实施方式的多模式可穿戴经颅电流刺激装置包括：手持控制模块1、可穿戴模块2、蓝牙收发模块3、电极-头皮阻抗监测模块4、保护模块5电源模块6以及多个电极7。其中，可穿戴模块2包括刺激电流产生模块21和刺激电流输出模块22，蓝牙收发模块3包括蓝牙发送模块31和蓝牙接收模块32。

手持控制模块1基于输入的刺激模式及刺激模式对应的刺激参数而生成控制指令，其中，刺激模式包括直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式和噪声刺激模式，从而实现了多种刺激模式可调。刺激电流产生模块21对控制指令进行解码分析，并针对用户要求的刺激模式及刺激参数输出相应的刺激电流信号。蓝牙发送模块31设置于手持控制模块1内，蓝牙发送模块31用于将控制指令发送给可穿戴模块2，蓝牙接收模块32设置于可穿戴模块2内，蓝牙接收模块32用于接收控制指令。多个电极7与头皮贴合，用于将刺激电流信号传递至颅骨及内部大脑皮层。电极-头皮阻抗监测模块4用于监测电极与头皮之间的阻抗值，并将阻抗值发送给手持控制模块1，当阻抗值大于安全阈值时，保护模块5切断多模式可穿戴经颅电流刺激装置的电源。

因此，本发明的经颅电流刺激装置具有输出电流回读功能，通过实时监测注入头皮的电流幅度，确保输出电流在人体头部可承受的电流强度范围内。一旦输出电流偏离预定设置，即触发预警电路产生预警信号，当电流超过安全阈值时即刻进行断电处理，避免电流损伤的发生，从而保证了装置的安全性。

本装置采用的多个刺激电极包括单通道双电极的大电极片，例如传统的5cm*7cm电极，也可以是小尺寸电极，例如半径为1cm左右的圆柱形电极。多模式可穿戴经颅电流刺激装置还可以包括：电流刺激源模块和电刺激选择模块，其中，电流刺激源模块可以为单通道电流刺激源，也可以被扩展为具有多通道输出功能，从而应用在高密度经颅电刺激相关的临床研究及试验中。电刺激选择模块用于选择直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式以及噪声刺激模式中的一种模式。直流电刺激模式包括阳极刺激方式、阴极刺激方式和伪刺激方式。阳极刺激通常可增强刺激靶点神经元的兴奋性，阴极刺激则降低刺激靶点神经元的兴奋性。伪刺激多作为一种对照刺激，通常为持续15s左右的微弱电流。

上述方案中，多模式可穿戴经颅电流刺激装置在直流电刺激模式中，输出电流信号带有渐入、渐出缓冲阶段，在刺激开启后一段时间内输出电流逐步渐变增加至稳态，以及在刺激结束前一段时间内输出电流逐步渐变衰减至零，能够实现三角形渐入/渐出恒流输出，渐变时间在1-120s内可调，调节步长精度为1s，输出幅值范围为±5000μA，幅度调节步进100μA，电流最大波动<0.02％。

多模式可穿戴经颅电流刺激装置在脉冲刺激模式中，完整脉冲周期持续时间/刺激间隔为在300-2000ms内可调，调节步长为100ms，脉冲周期数在1-500内可调，电流信号幅值在±5000uA内可调，有自动补偿电荷功能，从而保证注入电荷总值为0。

多模式可穿戴经颅电流刺激装置在交流电刺激模式中，输出电流信号为正弦信号，在刺激开启后和关闭前的一段时间内，正弦信号经过振荡逐步稳定和衰减为零。正弦信号幅值在0-5000uA内可调，调节步长为25uA，偏置电流在0-±1000uA内可调，调节步长为10uA，正弦信号频率在0-5KHz内可调，其中在0-500Hz频段内，调节步长为0.01Hz，在500-5kHz频段内，调节步长为10Hz，相位在0-360°内可调，相位调节步长为5°。

在噪声刺激模式中，噪声信号分为低通噪声和高通噪声输出(宽频带随机正态分布、低频和高频噪声，偏移和持续时间可调)。且在噪声刺激模式中，信号幅度在0-1500uA内可调，偏置电流在0-±1000uA内可调，刺激时间为0-60min，调节步长5s，淡入/淡出时间在0-120s内可调。

在一优选的实施方式中，手持控制模块还包括用户交互界面，用户交互界面具有按键控制部分，通过按键选择刺激模式对应的电路输出模式、输出电流参数及刺激时间，刺激时间在15s-60min可调，调节步进为15s。

如图2所示，多模式可穿戴经颅电流刺激装置支持的四种输出刺激电流模式对应的电流波形示意图。其中经颅直流电刺激(tDCS)信号在电流极性、幅度、时长及渐入/渐出步长等参数上可调，经颅交流电刺激(tACS)电流信号在正弦信号的幅度、频率、相位、偏置电流幅度等参数可调。值得指出的是，本发明定义了交流信号幅度达到稳定状态所需的时间，该时间参数也可以通过手持控制模块1进行调节。

如图3所示，刺激电流产生模块21采用蓝牙单片机(CC2541)作为核心控制芯片，波形产生采用DDS芯片(AD9833)，DDS产生的波形(正弦等)通过交流耦合放大，通过AD5444调节幅度。通过双路ADC MCP4822和OPA2188实现基线电压调节。波形和基线电压通过运放求和电路，送入到改进型的Howland电流源电路。通过读取高精度数字模拟转换芯片存储的幅值序列，输出对应刺激模式要求的电压信号，再经由电压-电流转换电路转换为输出刺激电流，从而实现电流刺激。

所述装置通过实时采样负载电压，计算并呈现负载阻抗，采样率高达，实现对外接阻抗的实时监测。当外接阻抗超过20kΩ，表明经颅电刺激电极与头皮接触不良，所述装置的电流输出模块随即关断输出电路并产生预警信号，提示操作人员对电极接口进行处理，降低负载阻抗。

本发明的多模式可穿戴经颅电流刺激装置的电源模块6能够产生±30V和-5V等幅值的直流电源，直流电源能够提供最大5mA的输出电流，最大输出功率为0.15W，输出电流容错率小于1％。如图4所示，电流刺激源模块通过DCDC由12V产生负12V和正负30V的电源单独做一个板，通过P1把正负12V和正负30V的电源接入到电流源电路板上。L3～L6和电容一起，构成简单的滤波电路，以减少电源的噪声。U2为LDO，从12V到正5V。

手持控制模块1还包括用户交互界面，用户交互界面具有按键控制部分，通过按键选择刺激模式对应的电路输出模式、输出电流参数及刺激时间，所述刺激时间在15s-60min可调，调节步进为15s。

在实际应用场景中，如对患者进行经颅直流电刺激过程中，刺激电流产生模块2被置于被试后脑与脖子之间，待电极7布置到指定位置后，即可通过手持控制模块1对刺激电流产生模块2发送控制指令，实现经颅刺激。需要指出的是，刺激电流产生模块由12V锂电池直接供电，满负荷刺激模式下(直流模式5mA)电池续航能力达到6小时。刺激电流产生模块的整体尺寸可以为5cm*5cm*1.5cm，重量为0.5kg，真正实现了便携、轻巧、可穿戴。

综上所述，本发明的经颅电流刺激装置能够实现多模式输出，各模式输出电流幅值、刺激频率、刺激时间等主要参数在较大范围内可调，应用灵活性高。该装置还具有实时监测电极-头皮阻抗的功能，并能实时将数据回传至手持控制模块进行显示。在具体应用环境中，如遇到电极与头皮无法完全贴合或电极-头皮界面状态变化(如盐水海绵电极水分丢失等)导致电极-头皮界面阻抗变大，将直接影响输出电流，或增大头皮与电极接触部位产生的接触电压。为避免过大电压的产生对人体带来的潜在安全风险，该装置支持实时监测、回传并显示电极-头皮阻抗，可通过设定预警阈值和安全阈值，在阻抗值超过安全阈值时进行预警并进行断电处理，安全可靠性高。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，该多模式可穿戴经颅电流刺激装置包括：

手持控制模块，该手持控制模块基于输入的刺激模式及刺激模式对应的刺激参数而生成控制指令，其中，所述刺激模式包括直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式和噪声刺激模式；

可穿戴模块，其包括刺激电流产生模块和刺激电流输出模块，所述刺激电流产生模块对所述控制指令进行解码分析，针对用户要求的刺激模式及刺激参数由所述刺激电流输出模块输出相应的刺激电流信号；

蓝牙收发模块，该蓝牙收发模块包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块，其中，所述蓝牙发送模块设置于所述手持控制模块内，用于将所述控制指令发送给所述可穿戴模块，所述蓝牙接收模块设置于所述可穿戴模块内，用于接收所述控制指令；

多个电极，该电极与头皮贴合，用于将所述刺激电流信号传递至颅骨及内部大脑皮层，

电极-头皮阻抗监测模块，该电极-头皮阻抗监测模块监测所述电极与头皮之间的阻抗值，并将所述阻抗值发送给所述手持控制模块；以及

保护模块，当所述阻抗值大于安全阈值时，所述保护模块切断所述多模式可穿戴经颅电流刺激装置的电源。

2.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，所述多模式可穿戴经颅电流刺激装置还包括：

电流刺激源模块，该电流刺激源模块能够被扩展为具有多通道输出功能；以及

电刺激选择模块，所述电刺激选择模块用于选择直流电刺激模式、脉冲刺激模式、交流电刺激模式以及噪声刺激模式中的一种模式。

3.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，所述直流电刺激模式包括阳极刺激方式、阴极刺激方式和伪刺激方式。

4.根据权利要求3所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，在所述直流电刺激模式中，输出电流信号在刺激开启后一段时间内输出电流逐步渐变增加至稳态，以及在刺激结束前一段时间内输出电流逐步渐变衰减至零，渐变时间在1-120s内可调，调节步长精度为1s，输出幅值范围为±5000μA，幅度调节步进100μA，电流最大波动<0.02％。

5.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，在所述脉冲刺激模式中，完整脉冲周期持续时间在300-2000ms内可调，调节步长为100ms，脉冲周期数在1-500内可调，电流信号幅值在±5000uA内可调。

6.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，在所述交流电刺激模式中，输出电流信号为正弦信号，幅值在0-5000uA内可调，调节步长为25uA，偏置电流在0-±1000uA内可调，调节步长为10uA，正弦信号频率在0-5KHz内可调，其中在0-500Hz频段内，调节步长为0.01Hz，在500-5kHz频段内，调节步长为10Hz，相位在0-360°内可调，相位调节步长为5°。

7.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，在所述噪声刺激模式中，噪声信号分为低通噪声和高通噪声输出。

8.根据权利要求7所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，在所述噪声刺激模式中，输出电流信号幅度在0-1500uA内可调，偏置电流在0-±1000uA内可调，刺激时间为0-60min，调节步长5s，淡入/淡出时间在0-120s内可调。

9.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，所述手持控制模块还包括用户交互界面，所述用户交互界面具有按键控制部分，通过按键选择刺激模式对应的电路输出模式、输出电流参数及刺激时间，所述刺激时间在15s-60min可调，调节步进为15s。

10.根据权利要求1所述的多模式可穿戴经颅电流刺激装置，其特征在于，所述多模式可穿戴经颅电流刺激装置还包括电源模块，所述电源模块能够产生±30V和-5V等幅值的直流电源，所述直流电源能够提供最大5mA的输出电流，最大输出功率为0.15W，所述输出电流容错率小于1％。