CN109745617A - 一种带参考电极的经颅直流电刺激器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带参考电极的经颅直流电刺激器及其使用方法，通过加入参考电极的方式，可对每个刺激电极的接触阻抗进行实时测量；刺激器包括参考电极、刺激电极、电流及电极阻抗检测模块、主控模块、恒流源模块、电源管理模块以及通信模块七个部分；参考电极用于每个刺激电极的接触阻抗测量，刺激电极用于刺激器电流的输出，主控模块用于实现仪器的***控制与数据处理传输，恒流源模块由基于运算放大器的恒流源电路组成，刺激器每个输出通道均有独立的恒流源，电源管理模块用于给刺激器提供工作电源以及充电管理，通信模块用于刺激器与外部应用软件的数据双向通信。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种可实时检测每个电极接触阻抗的带参考电极的经颅直流电刺激器及其使用方法。
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。
传统经颅直流电刺激器采用2个刺激电极，即一个激励电极和一个返回电极组成刺激回路，近年来出现了多通道经颅直流电刺激器具有多个激励电极和返回电极，目前最常用的多通道电极组合为“4×1”的5通道形式，即4个返回通道和1个激励通道，返回电极环绕激励电极放置。
经颅直流电刺激器使用过程中电极固定得不够稳固、电极与头皮之间的导电介质填充得不均匀或受试者头部移动等原因会导致电极与人体接触状况不佳，使得电流的传导面积变小、局部区域电流密度过高从而损伤皮肤和脑组织。一般电极与人体组织的接触状况是通过两者之间的阻抗大小来衡量的，称之为电极接触阻抗，阻抗过大说明电极接触不良需重新进行调整。因此，刺激器需具备实时检测电极接触阻抗的功能。
而传统经颅直流电刺激器有一部分不具备实时检测电极接触阻抗的功能，一部分仪器虽能够实时检测接触阻抗，但实际测量的是两个电极间的传输阻抗，这一阻抗是两个电极的接触阻抗与人体组织阻抗之和，并不能准确反映出每个电极对人体组织的接触阻抗。另外还有一部分多通道经颅直流电刺激器可以通过扫描法测量单个电极与人体组织的接触阻抗，但该方法耗费时间长，且不能在施加电刺激过程中实时测量每个电极对人体组织的接触阻抗。这些实际问题导致了经颅直流电刺激器的实际使用过程中操作人员无法准确判断哪个电极对人体组织接触情况不好，不能及时进行调整。
因此在经颅直流电刺激器的实际使用中，需要一个能实时检测每个电极接触阻抗的经颅直流电刺激器，这对于仪器使用的安全性、便捷性、实用性都有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种带参考电极的经颅直流电刺激器，能实时检测每个电极接触阻抗的经颅直流电刺激器，解决目前经颅直流电刺激器存在的电刺激过程中无法实时检测每个电极对人体组织的接触阻抗问题。
本发明解决其问题所采取的技术手段是：该带参考电极的经颅直流电刺激器，由参考电极1、刺激电极2、电流及电极阻抗检测模块3、主控模块4、恒流源模块5、电源管理模块6以及通信模块7组成。
所述通信模块与主控模块连接，恒流源模块与主控模块连接，电流及电极阻抗检测模块与主控模块连接，电流及电极阻抗检测模块与恒流源模块连接，刺激电极与恒流源模块连接，参考电极与电流及阻抗检测模块连接。
所述参考电极与电流及电极阻抗检测模块连接，用于每个刺激电极的接触阻抗测量，参考电极一般采用耳夹电极或悬浮电极。
所述刺激电极用于经颅直流电刺激器电流的输出，恒流源模块所连接的刺激电极的数目可以为2个或以上，每个刺激电极都可以用作激励通道或返回通道，所有激励通道的电流大小之和与所有返回通道的电流之和相等。
所述电流及电极阻抗检测模块用于实时检测每个刺激电极上的输出电流与接触阻抗。每个刺激电极的输出电流强度测量采用高边电流检测的方式，选用小阻值的采样电阻接在恒流源的输出端与负载之间，通过采集电阻两端的电压差来计算流过该电阻的电流大小。
主控模块用于实现本仪器的***控制与数据处理传输，可以由FPGA、单片机或其他高性能处理器实现。
恒流源模块由基于运算放大器的恒流源电路组成，可输出±4mA的电流强度，刺激器每个输出通道均有独立的恒流源。
电源管理模块用于给刺激器提供工作电源以及充电管理。
通信模块用于刺激器与外部应用软件的数据双向通信，可以采用有线USB通信，或者无线蓝牙或WIFI通信。
本发明的另一个目的是提供利用所述带参考电极的经颅直流电刺激器中的参考电极实时检测每个刺激电极接触阻抗的使用方法，通过以下步骤实现：
步骤一：将刺激电极固定于相应刺激区域，如果参考电极为耳夹电极，将耳夹电极夹住耳垂，如果参考电极为悬浮电极，将悬浮电极贴于耳后区。
步骤二：刺激器各个通道产生电流，通过高边电流检测的方法计算每个刺激电极上的输出电流实际大小。
步骤三：测量每个刺激电极的端电压以及参考电极处的参考电压。
步骤四：将每个刺激电极的端电压减去参考电极的参考电压，除以各通道的实际电流即可得到每个刺激电极的接触阻抗，重复步骤三、步骤四，可实现每个刺激电极接触阻抗的实时检测。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：(1)除传统的刺激电极外，还带有参考电极，可实时地测量每个电极与人体组织接触阻抗；(2)经颅直流电刺激器的安全性、便捷性和实用性更加提高；(3)可准确测量各通道的电流大小以及接触阻抗情况。
附图说明
图1为本发明带参考电极的经颅直流电刺激器结构示意图。
图2为本发明一种实施方式的使用示意图。
图3为本发明一种实施方式的电流及电极阻抗检测模块的电路原理图。
图4为本发明一种实施方式的主控模块的电路原理图。
图5为本发明一种实施方式的电源管理模块的电路原理图。
图6为本发明一种实施方式的通信模块的电路原理图。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明。
实施例1
参见图1，为本发明一种带参考电极的经颅直流电刺激器的实例，由参考电极1、刺激电极2、电流及电极阻抗检测模块3、主控模块4、恒流源模块5、电源管理模块6以及通信模块7组成，其中通信模块7与主控模块4连接，恒流源模块5与主控模块4连接，电流及电极阻抗检测模块3与主控模块4连接，电流及电极阻抗检测模块3与恒流源模块5连接，刺激电极2与恒流源模块5连接，参考电极1与电流及阻抗检测模块3连接。
所述参考电极1与电流及电极阻抗检测模块3连接，用于每个刺激电极的接触阻抗测量，一般采用耳夹电极或悬浮电极。
所述刺激电极2用于经颅直流电刺激器电流的输出，恒流源模块5所连接的刺激电极2的数目可以为2个或以上，每个刺激电极2都可以用作激励通道或返回通道，所有激励通道的电流大小之和与所有返回通道的电流之和相等。
所述电流及电极阻抗检测模块3用于实时检测每个刺激电极2上的输出电流与接触阻抗。每个刺激电极2的输出电流强度测量采用高边电流检测的方式，选用小阻值的采样电阻接在恒流源的输出端与负载之间，通过采集电阻两端的电压差来计算流过该电阻的电流大小。
实施例2
参见图2，为本发明一种实例的使用示意图，与传统的经颅直流电刺激器类似，刺激电极2有两个，“+”号示意为刺激阳极，代表激励通道，“-”号示意为刺激阴极，代表返回通道，两个刺激电极2固定与大脑背侧前额叶，区别于传统经颅直流电刺激器的地方在于本发明一个参考电极1用于实时检测每个刺激电极2的接触阻抗，参考电极1在本实例中采用耳夹电极方式，夹住人的一侧耳垂。
参见图3，为本发明一个实例的电流及电极阻抗检测模块的电路原理图，电流强度检测采用高边电流检测的方式，选用10Ω的采样精密电阻接在恒流源5的输出端与刺激电极2之间，通过采集电阻两端的电压差来计算流过该电阻的电流大小。电路的核心芯片仍然选用精密仪表运算放大器AD8426，增益控制电阻R35设置为1kΩ，根据芯片手册的提供的增益计算公式：
对AD8426的输出电压进行50倍电压放大后送ADC转换为数字信号，换算后即可得到通道电流强度值。
电极接触阻抗检测是在获得当前通道电流强度的基础上，测量该通道输出端与参考通道之间的电压差，来计算得到对于通道的接触阻抗。因此需要先测量各通道的输出端电压，方法是通过电阻衰减网络将当前通道的端电压衰减后再送至ADC测量。
利用参考电极实时检测每个刺激电极接触阻抗的刺激器使用方法步骤为：
步骤一：将刺激电极2固定于相应刺激区域，如果参考电极1为耳夹电极，将耳夹电极夹住耳垂，如果参考电极1为悬浮电极，将悬浮电极贴于耳后区。
步骤二：刺激器各个通道产生电流，通过高边电流检测的方法计算每个刺激电极2上的输出电流实际大小。
步骤三：测量每个刺激电极2的端电压以及参考电极1处的参考电压。
步骤四：将每个刺激电极2的端电压减去参考电极1的参考电压，除以各刺激电极2的实际输出电流即可得到每个刺激电极2的接触阻抗，重复步骤三、四，可实现每个刺激电极2接触阻抗的实时检测。
参见图4，为本发明一个实例的主控模块的电路原理图，选用了基于Cortex-M3内核的STM32F103RCT6型32位单片机，该芯片内部资源主要包括48KB SRAM、256KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口及51个通用IO口；其最高工作频率可达72MHz，支持中断嵌套。单片机通过串口、SPI等方式控制其它功能模块的运行。
参见图5，为本发明一个实例电源管理模块的电路原理图，选取3.7V锂电池作为电源，采用双极性电源方案，选用德州仪器公司的DC-DC芯片TPS61040以及美信公司的电压反相器ICL7662来提供±15V的输出，电压范围可达到30V，TPS61040的输出电压在Vin～28V之间可调，且Vout＝1.233V×(1+R13/R14)；为了获得15V的输出，R13/R14约为11.2。
参见图6，为本发明一个实例的通信模块的电路原理图，选用了HC-05型嵌入式蓝牙串口通讯模块作为无线通信的方案。该模块采用CSR主流蓝牙芯片和蓝牙V2.0协议标准，最大通信距离为10米。
本发明装置的工作过程说明如下：在***工作运行之前，先用锂电池或外部电源给电源管理模块6供电，打开刺激器电源开关，再给刺激器的其它模块供电，在外部应用软件通过蓝牙/WIFI/USB方式可以与刺激器的通信模块7连接，建立与刺激器的双向通信，外部应用软件可对刺激器的相关参数进行设置，其中参数主要包括刺激时间、刺激电流强度、刺激模式等，设置参数通过通信模块7传输至主控模块4，主控模块4将设置参数解析后控制恒流源模块5和电流及电极阻抗检测模块3开始工作，将刺激电极2固定于相应刺激区域，如果参考电极1为耳夹电极，将耳夹电极夹住耳垂，如果参考电极1为悬浮电极，将悬浮电极贴于耳后区。恒流源模块5按照指令生成对应输出电流，对应通道电流通过刺激电极2输出，通过高边电流检测的方法计算通过刺激电极2的实际电流大小，测量每个刺激电极2端电压以及参考电极1处的参考电压，将每个刺激电极2端电压减去参考电极1的参考电压，除以各刺激电极2的实际电流即可得到每个刺激电极2的接触阻抗,每一刺激电极2的实时输出电流值与接触阻抗值通过主控模块4处理后经通信模块7发送至外部应用软件，重复测量刺激电极2输出电流与端电压、参考电极1的参考电压，可实现每个刺激电极2接触阻抗的实时检测。
Claims (5)
1.一种带参考电极的经颅直流电刺激器，其特征在于，由参考电极(1)、刺激电极(2)、电流及电极阻抗检测模块(3)、主控模块(4)、恒流源模块(5)、电源管理模块(6)及通信模块(7)组成，通信模块(7)与主控模块(4)连接，恒流源模块(5)与主控模块(4)连接，电流及电极阻抗检测模块(3)与主控模块(4)连接，电流及电极阻抗检测模块(3)与恒流源模块(5)连接，刺激电极(2)与恒流源模块(5)连接，参考电极(1)与电流及电极阻抗检测模块(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种带参考电极的经颅直流电刺激器，其特征在于，所述参考电极(1)与电流及电极阻抗检测模块(3)连接，用于每个刺激电极的接触阻抗测量，参考电极(1)采用耳夹电极或悬浮电极。
3.根据权利要求1所述的一种带参考电极的经颅直流电刺激器，其特征在于，所述刺激电极(2)用于经颅直流电刺激器电流的输出，与恒流源模块(5)所连接的刺激电极(2)的数目为2个或以上，每个刺激电极(2)用作激励通道或返回通道，所有激励通道的电流大小之和与所有返回通道的电流之和相等。
4.根据权利要求1所述的一种带参考电极的经颅直流电刺激器，其特征在于，所述电流及电极阻抗检测模块(3)用于实时检测每个刺激电极上的输出电流与接触阻抗，每个刺激电极(2)的输出电流强度测量采用高边电流检测的方式，选用小阻值的采样电阻接在恒流源的输出端与负载之间，通过采集电阻两端的电压差来计算流过该电阻的电流大小，所述电流及电极阻抗检测模块(3)分别连接恒流源模块(5)和参考电极(1)，从而获取刺激电极的端电压和参考电极的参考电压。
5.一种利用权利要求1所述的带参考电极的经颅直流电刺激器中参考电极实时检测每个刺激电极接触阻抗的使用方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
步骤一：将刺激电极(2)固定于相应刺激区域，如果参考电极为耳夹电极，将耳夹电极夹住耳垂，如果参考电极为悬浮电极，将悬浮电极贴于耳后区；
步骤二：刺激器各个通道产生电流，通过高边电流检测的方法计算每个刺激电极上的输出电流实际大小；
步骤三：测量每个刺激电极(2)的端电压以及参考电极(1)处的参考电压；
步骤四：将每个刺激电极(2)的端电压减去参考电极(1)的参考电压，除以各刺激电极的实际输出电流即得到每个刺激电极(2)的接触阻抗，重复步骤三、步骤四，实现每个刺激电极接触阻抗的实时检测。
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