CN110812693B - 多通道高频非侵入式精确定位神经刺激*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，包括高频信号产生电路、信号调理电路、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路、隔离电路、信号切换电路各模块及人机交互单元；高频信号产生模块输出的高频信号经信号调理电路输出刺激源信号；所述刺激源信号在经过隔离电路隔离后通过信号切换电路输入交流恒压刺激电路或交流恒流刺激电路；信号切换电路为程控开关，信号切换电路用于切换交流恒压刺激电路和交流恒流刺激电路工作；人机交互单元用于输入高频信号的参数要求并传递给高频信号产生模块。本发明安全有效、刺激方式自由切换、可在线测试阻抗。

Description

多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***

技术领域

本发明涉及神经科学和生物医学工程、医学、电子信息、机械工程等领域，是一种利用多通道信号干涉技术（Temporal interference）进行无创高频交流电刺激的神经调控***。

背景技术

神经精神类疾病的神经调控康复治疗因为其安全、效果快、副作用小的特点备受医生和广大研究人员的青睐，也是物理治疗的研究和关注热点。

现在非侵入式无创神经调控治疗技术主要有经颅磁刺激（TMS）、经颅直流电刺激（TDCS）、生物反馈等。

TMS基于电磁感应与电磁转换的原理，用刺激线圈中强大瞬变的电流产生的磁场穿透颅骨，动态的磁场在颅内转换为与刺激线圈电流方向相反的感应电流，由这种内生的感应电流刺激神经细胞产生一系列的生理生化反应。

经颅直流电刺激（TDCS）利用恒定、低强度直流电(1~2 mA)调节大脑皮层神经元活动。

生物反馈技术通过电生理信号记录***采集生理变化过程所产生的各种信息，传输到数据处理和显示***，然后通过处理将此种信息转变为易于为患者理解的信号或读数，在医务人员的指导下进行训练，使病人学会利用经过处理的信号，有意识地控制体内各种生理、病理过程，促进机能恢复，从而达到治疗的目的。

通过上述无创的干预方式调节大脑皮层的神经活动，进而利用大脑可塑性变化调节特定脑区功能的目的，目前在临床上的应用越来越广泛，如抑郁症、睡眠障碍、药物成瘾、中风、轻度认知障碍、创伤后应激障碍、紧张性头痛等多种神经或精神疾病，然而，这些调控方式直接作用深度只限于大脑浅表皮层。

尽管大脑各脑区间存在结构和功能连接，要想通过刺激浅表皮层间接影响深部脑区，进而改变行为反应，一般需要较长时间。由于外界刺激直接作用于浅表皮层，需要较高的空间精度才能影响深部脑区，这在一定程度上导致治疗效果存在较大个体差异，疗效持久性较低。另外目前上述主要非侵入式刺激方式都没有达到准确定位脑区或根据治疗方案自适应准确匹配脑相关部位的功能。虽然TMS刺激具有相对较高的聚焦能力，但其作用深度有限（皮下2-4mm），仅能直接影响大脑浅皮层的神经活动。利用特定TMS线圈可以作用到深部脑区，但同时皮层脑活动也受到相应调节，而且线圈作用靶点有限，普适性差。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中无创式神经刺激***无法准确定位脑区且作用深度有限的问题，本发明提供一种多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***。

技术方案：一种多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，包括高频信号产生电路、信号调理电路、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路、隔离电路、信号切换电路及人机交互单元；高频信号产生电路输出的高频信号经信号调理电路输出刺激源信号；所述刺激源信号在经过隔离电路隔离后通过信号切换电路输入交流恒压刺激电路或交流恒流刺激电路；信号切换电路为程控开关，信号切换电路用于切换交流恒压刺激电路和交流恒流刺激电路工作；人机交互单元用于输入高频信号的参数要求并传递给高频信号产生电路。

进一步地，所述高频信号产生电路包括FPGA高频主信号模块和外调制信号模块；FPGA高频主信号模块用于产生高频主信号，外调制信号模块用于产生调制信号，调制信号用于与高频载波信号进行调制。

进一步地，所述交流恒压刺激电路包括前级放大电路、功率放大电路和AB互补类推挽电路，所述刺激源信号依次经过前级放大电路、功率放大电路及AB互补类推挽电路输出；

所述***还包括固定增益放大电路，固定增益放大电路采用电流型运放AD8009，所述交流恒压刺激电路输出的信号经过固定增益放大电路放大后输出。

进一步地，所述交流恒流刺激电路采用芯片XTR111，信号调理电路输出的刺激源信号作为芯片XTR111的输入信号从第六引脚输入；芯片XTR111的第四引脚和第五引脚接入参考电压；芯片XTR111的的第二引脚和第三引脚的输出信号通过增益控制电路输出；

所述***还包括增益控制电路，增益控制电路采用FPGA创建16位幅度控制寄存器，控制信号输出幅度，所述交流恒流刺激信号输出的信号经过增益控制电路放大后输出。

进一步地，所述信号调理电路包括数字乘法电路、前级放大电路、后级放大电路、及功率放大电路，所述高频信号产生电路输出的信号依次经过数字乘法电路、前级放大电路、后级放大电路及功率放大电路，从功率放大电路的输出端输出。

进一步地，所述隔离电路包括隔离输入部分、1pF隔离电容器及隔离输出部分，隔离输入部分与隔离输出部分之间通过1pF隔离电容器隔离，隔离输入部分是占空比调制信号并通过势垒数字传输，隔离输出部分用于接收调制后的信号，并将调制后的信号转换为模拟电压；隔离输入部分包括放大器、比较器，输入电流和开关电流源输入到放大器负向端，放大器及电阻电容组成积分电路，积分电路的输出端连接比较器输入端，比较器和第一感应放大器用于迫使开关电流源开关；比较器的输出信号经过隔离电容隔离，第二感应放大器检测到经隔离电容隔离的信号后，驱动开关电流源进入积分器，经反馈回路输出，反馈回路包括采样保持放大器，采样保持放大器用于去除不需要的纹波电压。

进一步地，采用ADUM6000将高频信号产生电路、信号调理电路的电源与交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路的电源进行隔离。

进一步地，包括多个通道及电极帽，电极帽包括多个电极，高频信号产生电路输出多个通道的高频信号，每个通道均有一个信号调理电路、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路及信号切换电路；通道的信号输出末端连接电极帽中的电极。

进一步地，还包括阻抗测试模块，阻抗测试模块包括输入端、频率可调激励源电路、增益控制、滤波电路、AD采样电路、输出端，频率可调激励源电路作为阻抗测试源；输入端连接被测电极，从被测电极上采集到的测试信号经增益控制、滤波电路及AD采样电路输出；输出端连接上位机，上位机用于对测试信号经过DFT计算出阻抗幅度和相位，计算结果在LCD显示屏或上位机上显示。

进一步地，信号切换电路、交流恒压刺激电路及交流恒流刺激电路的走线垂直布设，相邻走线间距加大，减小与地平面间距。

有益效果：本发明提供一种多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，相比较现有技术，是一种安全有效的非侵入多通道高频深部神经调控***，存在以下优点：

1.多通道高频恒流/恒压交流刺激电路采用程控开关自由切换刺激方式，高精度电流/电压分辨率。

2.所有刺激通道无论是直流还是高频交流信号都是严格隔离，通道间最大串扰噪声<3.0μVrms，隔离电压>3500V@1kHz。采用隔离电路和特殊布线技术实现通道间的模拟隔离；

3.各通道采用电子积木式结构，任意热插拔组合输出，且任意一通道可独立输出任意信号，且可输出特殊信号用于辅助聚焦刺激，且各通道之间可以进行信号输出相位差控制。

4.实时阻抗测试：实现刺激同时监测刺激电极与头部接触阻抗，可以实时提示刺激导联是否接触良好，并且设置阈值进行导联脱落预警提示。

5.电极帽采用10-10***定位设计，刺激电极形状多样，可以是圆形、环形等设计，内置自动型号识别电路。

附图说明

图1为高频刺激源信号产生的结构框图；

图2为信号调理电路的框图；

图3为交流恒流控制电路的原理图；

图4为交流恒压刺激电路中的前级放大电路的原理图；

图5为阻抗测量模块电路的功能框图；

图6为PCB布线图；

图7为隔离电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，包括多个刺激通道及电极帽，电极帽包括多个电极，高频信号产生电路输出多个通道的高频信号（最高频率超过200kHz，20mA;普通刺激器最高频率一般不超过1kHz，且输出电流不超过2mA，），每个通道均有一个信号调理电路、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路及信号切换电路；通道的信号输出末端连接电极帽中的电极。信号切换电路通过程控开关实现交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路工作的切换，连接关系如图1。高频信号产生电路的输出信号及外调制信号模块的输出信号经信号调理电路调制后输出刺激源信号；所述高频信号产生电路包括FPGA高频主信号模块和外调制信号模块；FPGA高频主信号模块用于产生高频主信号，外调制信号模块用于产生调制信号与高频主信号进行调制；外调制信号可以实现三角波、锯齿波等任意用户信号输入，并与主信号进行多种调制，直接由人机交互单元的触摸屏输入相关参数即可输出对应刺激源信号；所述刺激源信号在经过隔离电路隔离后通过信号切换电路输入交流恒压刺激电路或交流恒流刺激电路；信号切换电路通过程控开关实现，用于切换交流恒压刺激电路和交流恒流刺激电路工作；人机交互单元用于输入高频信号的参数要求并传递给高频信号产生电路。

各刺激通道输出为高频交流恒流或恒压输出，各通道的波形可通过LCD显示触摸屏或调解旋钮独立控制。

FPGA在产生主信号时，利用原码重构技术，显著降低波形抖动，二次谐波比DDS技术的2次谐波低>5dB以上，最高频率分辨率为0.1μHz。

所述信号调理电路包括数字乘法电路、前级放大电路、后级放大电路、功率放大电路，高频信号产生电路的输出信号输出依次经过数字乘法电路、前级放大电路、后级放大电路、功率放大电路，从功率放大电路输出端输出。由前级放大电路，乘法电路，后级放大电路组成的幅度控制电路与功率放大电路，使信号能放大到10V峰峰值，如图2所示。

所述交流恒流刺激电路包括压控镜像电流源，采用芯片XTR111，信号调理电路输出的刺激源信号作为芯片XTR111的输入信号从第六引脚输入；芯片XTR111的第四引脚和第五引脚接入FPGA的控制信号；芯片XTR111的的第二引脚和第三引脚的输出信号通过接入增益控制电路输出；第八引脚是错误标志输出，第九引脚是是否关闭输出引脚，利用压控镜像电流源技术，从而实现0-20mA精密交流恒流输出控制，如图3所示。采取压控镜像电流源方式，一方面解决了常用虚地电流源不方面使用的弊端，同时也解决了常用正反馈平衡式电路随着负载变化而出现输出不稳定的现象，另外本设计可以快速扩展输出电流的大小。

所述交流恒压刺激电路包括前级放大电路、功率放大电路和AB互补类推挽电路，前级放大电路在前，功率放大和AB互补类推挽电路为一体在后。功率放大电路和互补类推挽电路是自己设计，能够确保高保真信号。如图4为前级放大电路，前级放大电路的输入IOUT-C连接信号调理电路输出后的信号，前级放大电路的输出P连接后续的功率放大电路及AB互补类推挽电路。通过高速宽范围精密轨到轨运算放大器来驱动，从而达到Vpp=90V的交流电压信号。功率放大电路主要是为了提高输出信号的功率，采用AD公司生产的AD811进行前级放大，AD811为电流反馈型宽带运放，其单位增益带宽很宽，±15V供电，增益为+10的情况下，-3 dB带宽达100MHz,非常适合本***的宽带放大要求，功率放大电路采用由高频三极管组成的三级互补放大电路，±45V供电，从而满足最大90V输出信号范围。

普通刺激电路不具备刺激模式下实时阻抗分析功能，往往是在刺激前根据特定频率信号测试出等效阻抗，更不具备相位分析功能。本实施例还包括阻抗测试模块，阻抗测试模块可以在线进行阻抗测量，如图5，还包括阻抗测试模块，阻抗测试模块包括输入端、频率可调激励源电路、增益控制、滤波电路、AD采样电路、输出端，频率可调激励源电路作为阻抗测试源；输入端连接被测电极，从被测电极上采集到的测试信号经增益控制、滤波电路及AD采样电路输出；输出端连接上位机，上位机用于对测试信号经过DFT计算出阻抗幅度和相位，计算结果在LCD显示屏或上位机上显示。等效阻抗在图中表示为Z（w），SDA和SCL为I2C协议的控制线，MCLK是时钟信号，阻抗=测量得到的电压/已知的电流，频率可调0.1μA恒流激励源电路作为阻抗测试源；输出端连接上位机，上位机用于对输出信号经过DFT计算出阻抗幅度和相位。被测电极上产生相应的压降通过12位、1MSPS ADC电路进行采样分析，再经过DFT计算得出阻抗幅度和相位，从而得出等效复阻抗并显示在LCD屏上和上位机软件界面，从而有效监控刺激状态。

还包括固定增益放大电路及增益控制电路，固定增益放大嵌入恒压模式中，交流恒压刺激电路输出的信号经过固定增益放大电路放大后输出，在恒压模式下进行信号的再次放大，固定增益放大电路采用电流型运放AD8009，其具有5500V/μs的摆率，小信号带宽700MHz，大信号带宽440MHz，将滤波后的信号放大两倍达到1Vpp，对信号进行初步放大后送入二级放大电路。电流型运放适用于高速应用中，因为其不受基本增益带宽积的限制。增益控制电路采用FPGA创建16位幅度控制寄存器，控制信号输出幅度，幅度分辨率达3μV,此信号可以进一步控制电流输出，精度达10μA。交流恒流刺激信号输出的信号经过增益控制电路放大后输出。

刺激器是信号产生设备，不同通道间在高频情况下会产生空间辐射和刺激时相互间的干扰。通过高速PCB布线技术，针对***中地电位的特点和要求，采用隔离电路和特殊布线技术实现通道间的模拟隔离，从而减小通道间的交调干扰，如图6所示。

1.所有通道后级电源与前级电源进行隔离。电源隔离采用磁耦隔离，它是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，本设计采用ADUM6000实现正电源隔离，采用ADUM6000将高频信号产生电路、信号调理电路的电源与交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路的电源进行隔离。

2.驱动级信号（切换开关之前的信号）与后级（切换开关、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路）物理隔离。

隔离电路包括隔离输入部分、1pF隔离电容器及隔离输出部分，隔离输入部分与隔离输出部分之间通过1pF隔离电容器隔离，隔离输入部分是占空比调制信号并通过势垒数字传输，隔离输出部分用于接收调制后的信号，并将调制后的信号转换为模拟电压，并移除解调中固有的纹波。

如图7所示，输入电流(Vin / 200 kΩ)和±100μA开关电流源输入到放大器A1负向端，±100μA的电流源由200uA可切换电流源和100μA固定电流接收器实现。由A1及电阻电容组成的积分电路输出将向一个方向倾斜，直到超过比较器B1阈值，比较器和感应放大器Sense将迫使电流源开关；所得到的信号是一个占空比为50%的三角形波形。内部振荡器迫使电流源在500kHz时开关，由此产生的电容驱动是互补的占空比调制方波。感应放大器Sense检测到跨越电容的信号后，驱动开关电流源进入积分器A2。输出使用200kΩ反馈电阻，保证Vout的平均值等于Vin。输出反馈回路中的采样保持放大器S/H用于去除解调过程中固有的不需要的纹波电压。

另外，在后级放大电路中，所有信号阻抗要进行走线匹配，减小反射，减小地反效应，所有走线垂直布设，增大两个信号层之间的距离，减小信号层和邻近参考平面的距离。加宽信号线之间的距离，保持介质高度三倍以上；信号线尽量贴近地平面，与地平面紧耦合，与邻近信号去耦合；减小单端信号之间的并行走线长度，线尽量短，从而减小网络之间长耦合引起的串扰，关键信号线（如最后级输出信号有可能最大电流输出）进行包地处理。邻近走线中心之间距离保持走线宽度4倍的距离。

Claims (8)

1.一种多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，包括高频信号产生电路、信号调理电路、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路、隔离电路、信号切换电路、增益控制电路、人机交互单元；高频信号产生电路输出的高频信号经信号调理电路输出刺激源信号；所述刺激源信号在经过隔离电路隔离后通过信号切换电路输入交流恒压刺激电路或交流恒流刺激电路；信号切换电路为程控开关，信号切换电路用于切换交流恒压刺激电路和交流恒流刺激电路工作；人机交互单元用于输入高频信号的参数要求并传递给高频信号产生电路；

增益控制电路由由FPGA所创建16位幅度控制寄存器构建，交流恒流刺激电路之后对接增益控制电路，由增益控制电路针对交流恒流刺激电路输出的信号进行信号幅度控制与放大后输出；

基于上述设计，***还包括阻抗测试模块、以及多个通道及电极帽；电极帽包括多个电极，高频信号产生电路输出多个通道的高频信号，每个通道均有一个信号调理电路、交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路及信号切换电路；通道的信号输出末端连接电极帽中的电极；

阻抗测试模块包括输入端、频率可调激励源电路、增益控制、滤波电路、AD采样电路、输出端，频率可调激励源电路作为阻抗测试源；输入端连接被测电极，从被测电极上采集到的测试信号经增益控制、滤波电路及AD采样电路输出；输出端连接上位机，上位机用于对测试信号经过DFT计算出阻抗幅度和相位，计算结果在LCD显示屏或上位机上显示。

2.根据权利要求1所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，所述高频信号产生电路包括FPGA高频主信号模块和外调制信号模块；FPGA高频主信号模块用于产生高频主信号，外调制信号模块用于产生调制信号，调制信号用于与高频载波信号进行调制。

3.根据权利要求1所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，所述交流恒压刺激电路包括前级放大电路、功率放大电路和AB互补类推挽电路，所述刺激源信号依次经过前级放大电路、功率放大电路及AB互补类推挽电路输出；

所述***还包括固定增益放大电路，固定增益放大电路采用电流型运放AD8009，所述交流恒压刺激电路输出的信号经过固定增益放大电路放大后输出。

4.根据权利要求1所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，所述交流恒流刺激电路采用芯片XTR111，信号调理电路输出的刺激源信号作为芯片XTR111的输入信号从第六引脚输入；芯片XTR111的第四引脚和第五引脚接入参考电压；芯片XTR111的的第二引脚和第三引脚的输出信号通过增益控制电路输出。

5.根据权利要求1所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，所述信号调理电路包括数字乘法电路、前级放大电路、后级放大电路、及功率放大电路，所述高频信号产生电路输出的信号依次经过数字乘法电路、前级放大电路、后级放大电路及功率放大电路，从功率放大电路的输出端输出。

6.根据权利要求1所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，所述隔离电路包括隔离输入部分、1pF隔离电容器及隔离输出部分，隔离输入部分与隔离输出部分之间通过1pF隔离电容器隔离，隔离输入部分是占空比调制信号并通过势垒数字传输，隔离输出部分用于接收调制后的信号，并将调制后的信号转换为模拟电压；隔离输入部分包括放大器、比较器，输入电流和开关电流源输入到放大器负向端，放大器及电阻电容组成积分电路，积分电路的输出端连接比较器输入端，比较器和第一感应放大器用于迫使开关电流源开关；比较器的输出信号经过隔离电容隔离，第二感应放大器检测到经隔离电容隔离的信号后，驱动开关电流源进入积分器，经反馈回路输出，反馈回路包括采样保持放大器，采样保持放大器用于去除不需要的纹波电压。

7.根据权利要求6所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，采用ADUM6000将高频信号产生电路、信号调理电路的电源与交流恒压刺激电路、交流恒流刺激电路的电源进行隔离。

8.根据权利要求1所述的多通道高频非侵入式精确定位神经刺激***，其特征在于，信号切换电路、交流恒压刺激电路及交流恒流刺激电路的走线垂直布设，相邻走线间距加大，减小与地平面间距。

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