CN111840802B - 一种通过函数控制重复频率的磁刺激*** - Google Patents
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Abstract
一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，有用于产生周期函数的函数发生器，用于根据频率变化速率和周期函数获取频率变化曲线的频率变化曲线计算模块，用于将频率变化曲线离散化的频率输出模块，用于根据离散化的频率产生磁脉冲的磁刺激器主机和用于输出重复频率变化的磁刺激的线圈，所述的频率计算模块还分别形成有用于设置频率变化速率和频率变化范围的两个接收端口，所述的磁刺激器主机还连接用于设置刺激强度和脉冲个数的刺激强度和脉冲个数设置模块。本发明能与脑内更多频段的神经振荡形成共振，能更加灵活地调控神经元活动，取得更加有益的刺激效果，为rTMS重复频率的选择提供新的方案，为rTMS用于脑刺激提供新的思路和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁刺激***。特别是涉及一种通过函数控制重复频率的磁刺激***。
背景技术
重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)是一种脑刺激技术，广泛应用于脑功能、脑网络及脑回路等研究。
重复频率是rTMS脑研究的重要参数。通常认为，高频rTMS用于易化皮层兴奋性，低频rTMS用于抑制皮层兴奋性。在实际研究中，通常是根据观察刺激效果或者已有文献中的研究结果，设置一个固定的重复频率进行刺激。脑神经节律的振荡频率通常为1-100Hz，然而，固定频率下的重复刺激通常只能与特定频段的神经振荡形成共振，具有很好的刺激效果，但对于其他频段的神经振荡则可能不具有明显的刺激作用。脑功能通常是由多个节律的振荡共同形成的。因此，在进行经颅磁刺激脑功能研究时，采用固定频率的重复刺激只能与特定频段神经振荡形成共振，并不能完全与脑功能相关的所有神经振荡进行共振，刺激效果具有一定局限性。
已有固定重复频率经颅磁刺激在脑研究中只能与特定频段神经振荡形成共振。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够更加灵活地调控神经元活动，取得更加有益刺激效果的通过函数控制重复频率的磁刺激***。
本发明所采用的技术方案是：一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，其特征在于，包括有依次连接的：用于产生周期函数的函数发生器，用于根据频率变化速率和周期函数获取频率变化曲线的频率变化曲线计算模块，用于将频率变化曲线离散化的频率输出模块，用于根据离散化的频率产生磁脉冲的磁刺激器主机和用于输出重复频率变化的磁刺激的线圈，所述的频率计算模块还分别形成有用于设置频率变化速率和频率变化范围的两个接收端口，所述的磁刺激器主机还连接用于设置刺激强度和脉冲个数的刺激强度和脉冲个数设置模块。
所述的函数发生器，产生的周期函数x(t)，包含n个函数周期，n>2，t是时间，t＝0时，x(t)≥0，每个函数周期长度为T。
所述的频率变化曲线计算模块是由第一可编程控制器构成，所述频率变化速率设置端口处，对频率变化速率设置范围为0.01Hz/s-10Hz/s，所述频率变化范围设置端口处，对频率变化范围的设置范围是0.1-100Hz，包括完成如下步骤：
(2.1)设置频率变化速率，记为k；
(2.2)设置频率变化范围，记为[l1,l2]，送入频率输出模块；
(2.3)根据设置的频率变化速率k和接收的周期函数x(t)，通过公式y(t)＝k×t×x(t)计算获得频率变化曲线y(t)，所述的频率变化曲线y(t)是随时间变化的频率曲线，送入频率输出模块。
所述的频率输出模块是由第二可编程控制器构成，用于将从频率变化曲线计算模块获得的频率变化曲线y(t)离散化，得到刺激周期长度和随刺激周期变化的刺激频率，送入磁刺激器主机，包括完成如下步骤：
(3.1)将频率变化曲线y(t)按照周期函数x(t)的函数周期长度T划分为h个函数段，h＝n，每个函数段对应的时间长度等于T；
(3.2)将每个函数段对应的时间划分为刺激周期和间隔周期，h个函数段共包含h个刺激周期和h个间隔周期，每个刺激周期长度为a，每个间隔周期长度为b，每个函数段对应的时间长度T＝a+b；
(3.3)取每个刺激周期a内的频率变化曲线y(t)的均方根值，作为该刺激周期内磁刺激的重复频率，对于h个刺激周期，共得到h个重复频率，是随刺激周期变化的重复频率，记为fi，产生的重复频率序列记为F＝{fi}；
(3.4)在每个刺激周期a内，将重复频率序列F与所接收的频率变化范围[l1,l2]进行比对，当重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围[l1,l2]之内，则将刺激周期长度和频率变换范围内的重复频率序列输出至磁刺激器主机，否则，频率变化曲线计算模块重新调整频率变化速率，使重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围[l1,l2]之内；在每个间隔周期内，均不输出重复频率。
所述的磁刺激器主机将接收到的随刺激周期变化的重复频率、刺激强度和脉冲个数按照所接收的刺激周期长度输出给线圈，所述的线圈产生重复频率随刺激周期变化的磁刺激。
本发明的一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，能与脑内更多频段的神经振荡形成共振，能更加灵活地调控神经元活动，取得更加有益的刺激效果，为rTMS重复频率的选择提供新的方案，为rTMS用于脑刺激提供新的思路和方法。
本发明采用周期函数作为频率变化曲线的基函数，利用函数周期的特殊性，在每一个函数周期内设置刺激周期，在刺激周期内根据频率变化曲线计算出固定的重复频率，对于不同刺激周期，对应的重复频率并不相同。本发明保留了传统固定重复频率磁刺激模式的基础刺激效果，利用了传统磁刺激的有效性，又能够得到随刺激周期变化的重复频率，增加了对不同神经振荡的磁刺激。本发明是在传统磁刺激模式的基础上增加了随函数周期变化的重复频率，在不同的函数周期与不同频率的神经振荡产生共振，最终实现对脑内神经振荡更有效的刺激，将取得更加有益的刺激效果。
附图说明
图1是本发明一种通过函数控制重复频率的磁刺激***的构成框图；
图中
1：函数发生器 2：频率变化曲线计算模块
3：频率输出模块 4：磁刺激器主机
5：磁刺激的线圈 6：刺激强度和脉冲个数设置模块
图2是本发明中频率变化曲线计算模块输出的频率变化函数曲线，图中T为周期；
图3是本发明中频率输出模块输出的时变频率，图中，横轴为时间，纵轴为频率数值，T为周期。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种通过函数控制重复频率的磁刺激***做出详细说明。
本发明的一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，是一种重复频率随时间变化的经颅磁刺激。变化的重复频率使得神经元同步活动的节律随时间而变化，能与脑内更多频段的神经振荡形成共振，能更加灵活地调控神经元活动，为rTMS重复频率的选择提供新的方案，为rTMS用于脑刺激提供新的思路、装置和方法。
如图1所示，本发明的一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，包括有依次连接的：用于产生周期函数的函数发生器1，用于根据频率变化速率和周期函数获取频率变化曲线的频率变化曲线计算模块2，用于将频率变化曲线离散化的频率输出模块3，用于根据离散化的频率产生磁脉冲的磁刺激器主机4和用于输出重复频率变化的磁刺激的线圈5，所述的频率计算模块2还分别形成有用于设置频率变化速率和频率变化范围的两个接收端口，所述的磁刺激器主机4还连接用于设置刺激强度和脉冲个数的刺激强度和脉冲个数设置模块6。其中：
(1)所述的函数发生器1，产生的周期函数x(t)，包含n个函数周期，n>2，t是时间，t＝0时，x(t)≥0，每个函数周期长度为T。
以正弦函数为例，x(t)＝sin(ω*t)，t是时间，ω＝2π/T。本发明采用周期函数作为频率变化曲线的基函数，旨在利用函数周期的特殊性，在函数周期内计算出固定的重复频率，与传统磁刺激类似，保留了传统磁刺激模式的基础刺激效果，在不同函数周期之间，磁刺激的重复频率并不相同。因此，本发明是在传统磁刺激模式的基础上增加了随函数周期变化的重复频率，在不同的函数周期与不同频率的神经振荡产生共振，最终实现对脑内神经振荡更有效的刺激，将取得更加有益的刺激效果。若以一般函数作为频率变化曲线的基函数，则得到的重复频率可能是无序的、杂乱的，无法给出预期的刺激模式，是否取得更有益的刺激效果也是无法预测的。
周期函数x(t)包含至少3个函数周期，周期函数x(t)包含的函数周期少于3个时，最终产生的重复频率可能过少，将无法得到随周期变化的重复频率序列，无法实现本发明所述有益效果。函数发生器1可采用泰克公司的AFG3000C系列。
(2)所述的频率变化曲线计算模块2是由第一可编程控制器构成，所述频率变化速率设置端口处，对频率变化速率设置范围为0.01Hz/s-10Hz/s，所述频率变化范围设置端口处，对频率变化范围的设置范围是0.1-100Hz，包括完成如下步骤：
(2.1)设置频率变化速率，记为k；
(2.2)设置频率变化范围，记为[l1,l2]，送入频率输出模块3；
(2.3)根据设置的频率变化速率k和接收的周期函数x(t)，通过公式y(t)＝k×t×x(t)计算获得频率变化曲线y(t)，所述的频率变化曲线y(t)是随时间变化的频率曲线，送入频率输出模块3。
频率变化速率是指每秒钟增加或降低的频率，本发明所述k取值范围为0.01Hz/s-10Hz/s，表示每秒钟增加的频率，对于t＝0时，x(t)>0的情况，k也可设置负的频率变化速率，表示每秒钟降低的频率，但最终得到的频率必须大于0。在传统磁刺激中，常用的重复频率为0.1Hz-100Hz，本发明设置的频率变化速率最小值为0.01Hz/s，即10s之内增加至0.1Hz，频率变化速率最大值为10Hz/s，即10s之内增加至100Hz。
频率变化范围[l1,l2]根据刺激靶点处的神经振荡频率范围进行设定，例如，刺激靶点为运动皮层时，根据运动皮层的α神经振荡和β神经振荡确定频率范围，α神经振荡为8-12Hz的神经振荡，β神经振荡为13-30Hz的神经振荡，因此刺激靶点为运动皮层时，频率变化范围[l1,l2]可设置为8-30Hz。
频率变化速率的设置和频率变化范围的设置需相互协调，当频率变化范围较小，而频率变化速率较大时，最终产生的重复频率可能过少，将无法得到随周期变化的重复频率序列，无法实现本发明所述有益效果。
频率变化曲线y(t)相当于在周期函数x(t)的基础上调整了函数的幅值。以正弦函数为例，x(t)＝sin(ω*t)，y(t)＝k*t*sin(ω*t)，重复频率随函数周期的变化可根据基础函数的幅值系数k*t进行预测。
(3)所述的频率输出模块3是由第二可编程控制器构成，用于将从频率变化曲线计算模块2获得的频率变化曲线y(t)离散化，得到刺激周期长度和随刺激周期变化的刺激频率，送入磁刺激器主机4，包括完成如下步骤：
(3.1)将频率变化曲线y(t)按照周期函数x(t)的函数周期长度T划分为h个函数段，h＝n，每个函数段对应的时间长度等于T；
(3.2)将每个函数段对应的时间划分为刺激周期和间隔周期，h个函数段共包含h个刺激周期和h个间隔周期，每个刺激周期长度为a，每个间隔周期长度为b，每个函数段对应的时间长度T＝a+b；
(3.3)取每个刺激周期a内的频率变化曲线y(t)的均方根值，作为该刺激周期内磁刺激的重复频率，对于h个刺激周期，共得到h个重复频率，是随刺激周期变化的重复频率，记为fi，产生的重复频率序列记为F＝{fi}；
(3.4)在每个刺激周期a内，将重复频率序列F与所接收的频率变化范围[l1,l2]进行比对，当重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围[l1,l2]之内，则将刺激周期长度和频率变换范围内的重复频率序列输出至磁刺激器主机4，否则，频率变化曲线计算模块2重新调整频率变化速率，使重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围[l1,l2]之内；在每个间隔周期内，均不输出重复频率。
将y(t)按照x(t)的函数周期长度T划分为h个函数段，在每个函数段内，y(t)的形状相似，但在不同函数段之间，y(t)幅值不同。因此，对于不同的函数段，可采用同一个计算方法根据频率变化曲线计算出实际输出的重复频率，并且在不同的函数段内，计算出的重复频率并不相同。
将每个函数段对应的时间划分为刺激周期和间隔周期，主要考虑生物组织的耐受性、磁刺激器的散热性能以及磁刺激的有效性。对于频率较高的磁刺激而言，如果连续刺激时间过长，则可能造成生物组织的损伤，并可能使得磁刺激器主机过热，将不利于磁刺激的有效性，因此，本发明将每个函数段对应的时间分割为刺激周期和间隔周期，仅在刺激周期输出磁刺激，在间隔周期不输出磁刺激。在间隔周期，一方面可避免生物组织产生疲劳，另一方面，有利于磁刺激器主机充分散热，将有助于提高磁刺激的有效性。
取y(t)的均方根值作为该周期内磁刺激的重复频率，主要考虑了将频率变化曲线离散化作为磁刺激的重复频率的可行性，若采用y(t)的其他特征值，有可能得到零或负值，不能直接作为磁刺激的重复频率。例如，以余弦函数为例，x(t)＝cos(ω*t)，y(t)＝k*t*cos(ω*t)，在1/4T内，y(t)幅值为正，在1/4T-3/4T，y(t)幅值为负，在3/4T-1T内，y(t)幅值为正，当刺激周期为1/2T-3/4T之间时，y(t)的平均幅值均为负值。
将重复频率序列F与频率变换范围[l1,l2]进行比对，当重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围内时，将频率变换范围内的重复频率序列输出至磁刺激器主机(4)；当重复频率序列F中仅有2个以下重复频率位于频率变化范围内时，无法生成3个以上随刺激周期变化的刺激频率，可能无法实现本发明所述的有益效果，此时需重新设定频率变化速率，降低频率变化速率，使得在频率变化范围内包含多个刺激周期，有利于提升本发明所述的有益效果。
(4)所述的磁刺激器主机4将接收到的随刺激周期变化的重复频率、刺激强度和脉冲个数按照所接收的刺激周期长度输出给线圈6，所述的线圈6产生重复频率随刺激周期变化的磁刺激。
磁刺激器主机可采用Magstim公司的Rapid2磁刺激器主机或Magventure公司的MagPro磁刺激器主机。
本发明中所述的第一可编程控制器、第二可编程控制器和第三可编程控制器结构相同，均可采用XILINX公司的FPGA板，型号：ULTRASCALE+fFZ3B或AX7020。
实施案例：
首先，通过函数发生器1产生正弦函数，x(t)＝sin(t),周期T＝2π；结合频率变化曲线计算模块2给出的频率变化速率k＝0.5Hz/s和频率变化范围[0.5,14]，计算得出频率变化函数曲线y(t)＝0.5*t*sin(t),t∈[0.01,31.41]；
然后，通过频率输出模块3将频率变化函数曲线进行离散化，将刺激周期设置为π，计算刺激周期内y(t)的均方根值，得出随时间变化的重复频率数值fi，i＝1，…，n，将随时间变化的重复频率数值和持续时间作为频率触发信号，输出至磁刺激器主机4；
最后，通过刺激强度和脉冲个数设置模块6设置磁刺激强度和脉冲个数，通过线圈5输出频率随时间变化的磁刺激。
频率变化曲线计算模块2给出的频率变化函数曲线如附图2所示，频率输出模块给出的随时间变化的重复频率如附图3所示。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。
本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，其特征在于，包括有依次连接的：用于产生周期函数的函数发生器(1)，用于根据频率变化速率和周期函数获取频率变化曲线的频率变化曲线计算模块(2)，用于将频率变化曲线离散化的频率输出模块(3)，用于根据离散化的频率产生磁脉冲的磁刺激器主机(4)和用于输出重复频率变化的磁刺激的线圈(5)，所述的频率变化曲线计算模块(2)还分别形成有用于设置频率变化速率和频率变化范围的两个接收端口，所述的磁刺激器主机(4)还连接用于设置刺激强度和脉冲个数的刺激强度和脉冲个数设置模块(6)；其中：
所述的频率变化曲线计算模块(2)是由第一可编程控制器构成，所述频率变化速率设置端口处，对频率变化速率设置范围为0.01Hz/s-10Hz/s，所述频率变化范围设置端口处，对频率变化范围的设置范围是0.1-100Hz，包括完成如下步骤：
(2.1)设置频率变化速率，记为k；
(2.2)设置频率变化范围，记为[l1,l2]，送入频率输出模块(3)；
(2.3)根据设置的频率变化速率k和接收的周期函数x(t)，通过公式y(t)＝k×t×x(t)计算获得频率变化曲线y(t)，所述的频率变化曲线y(t)是随时间变化的频率曲线，送入频率输出模块(3)；
所述的频率输出模块(3)是由第二可编程控制器构成，用于将从频率变化曲线计算模块(2)获得的频率变化曲线y(t)离散化，得到刺激周期长度和随刺激周期变化的刺激频率，送入磁刺激器主机(4)，包括完成如下步骤：
(3.1)将频率变化曲线y(t)按照周期函数x(t)的函数周期长度T划分为h个函数段，h＝n，每个函数段对应的时间长度等于T；
(3.2)将每个函数段对应的时间划分为刺激周期和间隔周期，h个函数段共包含h个刺激周期和h个间隔周期，每个刺激周期长度为a，每个间隔周期长度为b，每个函数段对应的时间长度T＝a+b；
(3.3)取每个刺激周期a内的频率变化曲线y(t)的均方根值，作为该刺激周期内磁刺激的重复频率，对于h个刺激周期，共得到h个重复频率，是随刺激周期变化的重复频率，记为fi，产生的重复频率序列记为F＝{fi}；
(3.4)在每个刺激周期a内，将重复频率序列F与所接收的频率变化范围[l1,l2]进行比对，当重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围[l1,l2]之内，则将刺激周期长度和频率变换范围内的重复频率序列输出至磁刺激器主机(4)，否则，频率变化曲线计算模块(2)重新调整频率变化速率，使重复频率序列F中有3个以上重复频率位于频率变化范围[l1,l2]之内；在每个间隔周期内，均不输出重复频率。
2.根据权利要求1所述的一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，其特征在于，所述的函数发生器(1)，产生的周期函数x(t)，包含n个函数周期，n>2，t是时间，t＝0时，x(t)≥0，每个函数周期长度为T。
3.根据权利要求1所述的一种通过函数控制重复频率的磁刺激***，其特征在于，所述的磁刺激器主机(4)将接收到的随刺激周期变化的重复频率、刺激强度和脉冲个数按照所接收的刺激周期长度输出给磁刺激的线圈(5)，所述的磁刺激的线圈(5)产生重复频率随刺激周期变化的磁刺激。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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