CN109260588A - 一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，在目标刺激区域的四周分布若干电极，通过各个电极独立输出特定的载波信号，在人体一定深度的区域内形成差拍形式的电刺激信号包络；若干电极按照输出电刺激信号的时间周期不同分成若干组，各个组对应的时间周期按照设定顺序循环出现，每一组的所有电极，只在该组对应的时间周期内同时输出电刺激信号；同一组的电极按照电极输出载波的频率不同能够分为若干路，每一路的所有电极都采用脉宽调制方式输出相同频率的载波，不同路的电极输出的载波频率互相相差一定的数值。采用本发明***可以达到无创伤地精准刺激人体深部神经的目的。

Description

一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***

技术领域

本发明涉及人体深部神经电刺激的技术领域，尤其是指一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***。

背景技术

传统的深部神经电刺激大都采用创伤性的植入式电极，通过在病灶埋入电极对神经施加低频(1-200Hz)电刺激信号的方式以达到治疗的目的，但是植入式电极对人体造成一定的创伤性。目前普遍采用的低频电刺激信号可以被神经元响应，但是对人体的穿透性差，信号很难从人体外传递到人体内深部的神经***。中频(200Hz–20kHz)电刺激信号则在人体组织中传输的衰减远远小于低频电刺激信号，可以有效传递到人体组织的深部神经***。然而，中频电刺激信号容易令神经元疲劳，难以刺激其响应。差拍形式的中频电刺激信号虽然兼顾了中频信号对人体组织的穿透性以及低频信号对神经元的有效响应特性，但是在电刺激信号聚焦范围的精确度上没有办法控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，采用在人体皮肤表面布置多电极，各个电极通过脉宽调制方式，在不同的工作时间周期输出不同载波频率或不同正负极性的中频电刺激信号。在特定的目标区域形成幅度调制且正负极性相等的差拍中频刺激信号，令神经元产生最强的刺激响应。偏离该目标区域的神经元所感受到的刺激迅速衰减，从而达到无创伤地精准刺激人体深部神经的目的。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，所述***是在目标刺激区域的四周分布若干电极，通过各个电极独立输出特定的载波信号，在人体一定深度的区域内形成差拍形式的电刺激信号包络；其中，所述的若干电极按照输出电刺激信号的时间周期不同分成若干组，各个组对应的时间周期按照设定顺序循环出现，每一组的所有电极，只在该组对应的时间周期内同时输出电刺激信号。

进一步，同一组的电极按照电极输出载波的频率不同能够分为若干路，每一路的所有电极都采用脉宽调制方式输出相同频率的载波，不同路的电极输出的载波频率互相相差一定的数值。

进一步，同一路电极由两对输出相同频率载波的电极构成，其中一对电极输出该载波的正半周信号，且在载波负半周保持零电平，另一对电极正好相反，输出该载波的负半周信号，且在载波正半周保持零电平。

进一步，所述载波的频率范围是200Hz-20kHz。

进一步，不同路的电极输出的载波频率互相相差的数值范围是1-200Hz。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过体表布置电极的无创伤方式替代传统的创伤性植入式电极，有效的刺激深部神经，并能实现原有创伤性方法所达到的精度。

2、采用中频电作为刺激信号，能够将电流有效的传递到深部神经并引起刺激响应，克服了传统的低频电刺激信号在人体内较大的衰减性。

3、多路电极分别输出集合多种调制方式的刺激电流，精准的控制有效刺激区域。神经的有效刺激区域可以任意调整并保持原有的精度，只需通过调节各路电极的输出幅度，不需要移动电极。

附图说明

图1是具体实施例1刺激大脑深部神经的电极整体布局方式以及最强刺激响应区域示意图、

图2是具体实施例1的第一时间段、第二时间段、第三时间段作用的电极分布图。

图3是具体实施例1中12对电极分别施加的刺激信号。

图4A是具体实施例1的三维中心区域的刺激信号波形图。

图4B是具体实施例1的三维中心区域神经元的动作电位图。

图5A是具体实施例1的偏离三维中心区域的刺激信号波形图。

图5B是具体实施例1的偏离三维中心区域神经元的动作电位图。

图6是具体实施例2刺激皮下深部神经***的电极整体布局方式以及最强刺激响应区域示意图。

图7A是具体实施例2中阵列电极的布局方式图。

图7B是具体实施例2的第一时间段作用的电极分布图。

图7C是具体实施例2的第二时间段作用的电极分布图。

图8是具体实施例2中8对电极分别施加的刺激信号。

图9A是具体实施例2的中心针状区域的刺激信号波形图。

图9B是具体实施例2的中心针状区域神经元的动作电位图。

图10A是具体实施例2的偏离中心针状区域的刺激信号波形图。

图10B是具体实施例2的偏离中心针状区域神经元的动作电位图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，具体是在人体皮肤表面放置若干个电极，采用脉宽调制方式，在不同的时间周期内，独立输出不同频率载波信号的正半周部分或负半周部分，在人体内目标区域差拍形成电刺激信号包络。所述的若干个电极输出的电刺激信号均基于中频(200Hz–20kHz)载波，保证电刺激信号尽可能深入人体组织内部。

所述的若干个电极根据时分复用的工作形式，分为若干个组：各组电极的工作时间周期相互错开，且按照一定顺序循环。各组电极只在各自的工作时间周期内单独输出电刺激信号，互不影响。每组电极通过输出电刺激信号影响某一空间区域，各组电极分别影响的空间区域的交集，即为神经元产生最强刺激响应的目标区域。

所述的在同一时间周期工作的一组电极，根据输出的刺激信号载波频率不同，继续分为若干路电极。在同一组内的任意两路电极，采用脉宽调制的方式输出的载波频率相差一定的数值，其范围在1-200Hz。在同一组的工作时间周期内，各路电极输出的电刺激信号载波相互叠加，形成差拍形式的电刺激信号包络，能够克服神经元对中频电刺激信号的疲劳性。

所述的输出同一载波频率电刺激信号的一路电极，由两对电极构成。其中一对电极输出的电刺激信号为载波的正半周信号，另一对电极输出的电刺激信号为载波的负半周信号。

当所述的电极各自所施加的电压在目标区域产生的电流密度相同时，在该点形成的电刺激信号为100％幅度调制、正负极性相等的中频差拍电刺激信号，令神经元产生最强的刺激响应。而偏离该目标区域的点所形成的电刺激信号因正负极性不等，或信号包络不明显的原因，使得神经元不再产生刺激响应或者产生较弱的刺激响应。

例如，在一个基于人体头部球体模型中，由放置于头部表面的12对电极构成多电极的深度神经电刺激***。其中，12对电极按照时分复用的工作形式分成3组，每组由4对电极构成。3组电极的工作时间周期相互错开，互不影响，且三组电极在空间布局上互相垂直，分别在XOY、YOZ、XOZ平面。三组电极在三个互相垂直平面上产生的有效刺激区域的交集就在头部球体模型的三维几何中心点，该中心区域形成的电刺激信号为100％幅度调制的中频差拍信号，令该中心区域的神经元感受到最强的连续有效电刺激，而偏离该中心区域的神经元所感受到的电刺激信号迅速衰减。该实例中的刺激电极仅放置在人体头部表面，较好的实现了非侵入式的深入刺激大脑神经***的效果。

又例如，在一个基于圆柱模型中，由8对电极分别构成两组电极，其工作时间周期相互错开，互不影响。在空间布局上，8对电极形成4×4的电极阵列，两组电极输出的电刺激信号分别产生的有效刺激区域的交集形成一个垂直深入人体内的针状区域。该针状区域的神经元感受到最强的有效电刺激信号，而偏离该针状区域的神经元所感受到的电刺激信号迅速衰减。该实例中的刺激电极仅放置在皮肤表面，以无创的方式实现了传统针灸中的针刺形成皮下神经刺激的效果。

下面利用图1-图5对实施例1所涉及的大脑深部神经的电刺激进行说明，及利用图6-图10对实施例2所涉及的皮肤电极阵列刺激皮下神经进行说明。

实施例1

如图1所示，刺激大脑深部神经的电极布局，具体是由放置在人体头部皮肤表面的12对电极构成。所述的12对电极分成三组，每组由4对电极构成。最终形成的有效刺激响应区域为球体的三维几何中心1。

如图2中最左边的附图所示，四对电极201、202、203、204构成第一组脉宽调制刺激信号，分布在XOY面上的四周。

如图2中中间的附图所示，四对电极205、206、207、208构成第二组脉宽调制刺激信号，分布在XOZ面上的四周。

如图2中最右边的附图所示，四对电极209、210、211、212构成第三组脉宽调制刺激信号，分布在YOZ面上的四周。

如图3所示，12对电极分别施加的刺激信号波形图，均为脉宽调制的单极性中频信号，整体信号周期A4为120ms，各组脉宽调制的占空比为33.3％。

所述的第一组脉宽调制电极201、202、203、204只作用在第一时间段A1(0-40ms，120-160ms等)。刺激信号201载波频率为2kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号202载波频率为2kHz，仅输出负半周的正弦信号；刺激信号203载波频率为2.1kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号204载波频率为2.1kHz，仅输出负半周的正弦信号。第一组脉宽调制的电极201、202、203、204共同作用，将最强的电刺激区域控制在垂直于XOY面的柱状区域。

所述的第二组脉宽调制电极205、206、207、208只作用在第二时间段A2(40-80ms，160-200ms等)。刺激信号205的载波频率为2kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号206的载波频率为2kHz，仅输出负半周的正弦信号；刺激信号207的载波频率为2.1kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号208的载波频率为2.1kHz，仅输出负半周的正弦信号。第二组脉宽调制的电极205、206、207、208共同作用，将最强的电刺激区域控制在垂直于XOZ面的柱状区域。

所述的第三组脉宽调制电极209、210、211、212只作用在第三时间段A3(80-120ms，200-240ms等)。刺激信号209的载波频率为2kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号210的载波频率为2kHz，仅输出负半周的正弦信号；刺激信号211的载波频率为2.1kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号212的载波频率为2.1kHz，仅输出负半周的正弦信号。第三组脉宽调制的电极209、210、211、212共同作用，将最强的电刺激区域控制在垂直于YOZ面的柱状区域。

上述的三组脉宽调制电极，分别控制一个最强刺激响应的区域。三个最强刺激响应的区域的交集，即为大脑的三维几何中心区域1，在整个周期120ms内产生最强的刺激响应。

如图4A所示，位于在三维几何中心区域1的神经所接受的刺激信号为100％幅度调制、正负极性相等、差拍为100Hz的中频信号。

如图4B所示，中心区域每相隔10ms(100Hz)即产生一次有效的动作电位，即神经元响应的频率为100Hz，在深部脑刺激的有效频率范围(100Hz–180Hz)内。

如图5A所示，偏离中心区域的神经所接受的刺激信号为正负极性不相等的调制中频信号。

如图5B所示，偏离中心区域的神经元产生的动作电位次数明显小于上述的中心区域的神经元。从全部工作时间周期的一个完整循环(120ms)来看，神经元的动作电位频率远远小于100Hz，不能产生有效的刺激响应。

实施例2

如图6所示，阵列电极3放置在皮肤表面，刺激皮下深部神经。形成的最强有效刺激响应区域为垂直于皮肤表面的中心针状区域4。

如图7A所示，所述的8对电极的布局方式为4×4阵列。所述的8对电极分成两组，每组由4对电极构成。

如图7B所示，四对电极501、502、503、504构成第一组脉宽调制刺激信号，分布在皮肤表面，只在第一时间段作用，四对电极的连线形成正方形区域。

如图7C所示，四对电极505、506、507、508构成第二组脉宽调制刺激信号，分布在皮肤表面，只在第二时间段作用，四对电极的连线形成倾斜45°的正方形区域。

如图8所示，8对电极分别施加的刺激信号波形图，均为脉宽调制的单极性中频信号，信号周期B3为80ms，各组脉宽调制的占空比为50％。

所述的第一组脉宽调制电极501、502、503、504只作用在第一时间段B1(0-40ms，80-120ms等)。刺激信号501的载波频率为2kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号502的载波频率为2kHz，仅输出负半周的正弦信号；刺激信号503的载波频率为2.1kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号504的载波频率为2.1kHz，仅输出负半周的正弦信号。第一组脉宽调制的电极501、502、503、504共同作用，将最强的电刺激区域控制在垂直于皮肤表面的针状区域。

所述的第二组脉宽调制电极505、506、507、508只作用在第二时间段B2(40-80ms，120-160ms等)。刺激信号505的载波频率为2kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号506的载波频率为2kHz，仅输出负半周的正弦信号；刺激信号507的载波频率为2.1kHz，仅输出正半周的正弦信号；刺激信号508的载波频率为2.1kHz，仅输出负半周的正弦信号。第二组脉宽调制的电极505、506、507、508共同作用，将最强的电刺激区域控制在垂直皮肤表面的针状区域。

上述的两组脉宽调制电极，分别控制一个最强刺激响应的区域。两个最强刺激响应的区域的交集，即为垂直皮肤表面的中心针状区域3，在***的整个周期80ms内产生最强的刺激响应。

如图9A所示，位于在中心针状区域的神经所接受的刺激信号为100％幅度调制、正负极性相等、差拍为100Hz的中频信号。

如图9B所示，中心区域每相隔10ms(100Hz)即产生一次有效的动作电位，即神经元响应的频率为100Hz。

如图10A所示，偏离中心针状区域的神经所接受的刺激信号为正负极性不相等的中频信号。

如图10B所示，偏离中心针状区域的神经元产生的动作电位次数明显小于上述的中心区域的神经元，从全部工作时间周期的一个循环(80ms)来看，神经元的动作电位频率远远小于100Hz，不能产生有效的刺激响应。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，其特征在于：所述***是在目标刺激区域的四周分布若干电极，通过各个电极独立输出特定的载波信号，在人体预设深度的区域内形成差拍形式的电刺激信号包络；其中，所述的若干电极按照输出电刺激信号的时间周期不同分成若干组，各个组对应的时间周期按照设定顺序循环出现，每一组的所有电极，只在该组对应的时间周期内同时输出电刺激信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，其特征在于：同一组的电极按照电极输出载波的频率不同能够分为若干路，每一路的所有电极都采用脉宽调制方式输出相同频率的载波，不同路的电极输出的载波频率互相相差设定的数值。

3.根据权利要求2所述的一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，其特征在于：同一路电极由两对输出相同频率载波的电极构成，其中一对电极输出该载波的正半周信号，且在载波负半周保持零电平，另一对电极正好相反，输出该载波的负半周信号，且在载波正半周保持零电平。

4.根据权利要求3所述的一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，其特征在于：所述载波的频率范围是200Hz-20kHz。

5.根据权利要求3所述的一种用于精准刺激人体深部神经的体表多电极***，其特征在于：不同路的电极输出的载波频率互相相差的数值范围是1-200Hz。