CN113827255A - 一种便携式经颅电刺激调控脑电装置 - Google Patents

一种便携式经颅电刺激调控脑电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种便携式经颅电刺激调控脑电装置，包括通过无线方式连接的脑电采刺设备和移动终端，所述脑电采刺设备包括：弹性脑电帽；两用电极，安装于所述弹性脑电帽上，集脑电信号采集与经颅电刺激功能为一体；采刺硬件模块，粘贴于所述弹性脑电帽上，并分别连接所述移动终端和两用电极，实现脑电信号采集与经颅电刺激功能；所述采刺硬件模块包括与所述移动终端连接的、具有多条功能通道的排插口，在移动终端的控制下选择不同功能通道导通。与现有技术相比，本发明具有提高经颅电刺激个性化治疗的方便性等优点。

Description

一种便携式经颅电刺激调控脑电装置
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其是涉及一种便携式经颅电刺激调控脑电装置。
背景技术
所有的生命都具有电化学的本质，同样，人体的神经***也是可通过电化学信号以及单纯地通过电信号来工作，神经学家们因此不断在研究，如何通过调节人体电生理的方式来实现对一些神经疾病的治疗和预防。目前，神经***疾病已经成为了当今人类健康和生活质量的一大威胁，随着全球老龄化的趋势，神经***的疾病以及发病后的后遗症都已成为各国医疗支出中的一大占比。其中脑神经***的疾病的发病比例不断在提高。在无创式非侵入的技术手段方向，发展出了经颅磁刺激和经颅电刺激两种手段，但经颅磁刺激需要的设备要求高，操作人员的专业要求也高，而经颅电刺激的手段则具有安全性高，副作用小，便于操作的特点，成为了近年来脑神经学家们的研究热点。
抑郁症、自闭症、失眠症、帕金森等患者的脑电会有异常，在脑功能检测方式中，脑电图的设备体积小，成本较低且易于操作，已广泛应用于临床精神性及神经性疾病的诊断。精神性及神经性疾病的治疗可通过体积小，易于操作的经颅电刺激方式进行治疗，但目前的治疗方案都是根据临床医生的主观判断和经验指导，无法实现便携式的个体化治疗。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高经颅电刺激个性化治疗方便性的便携式经颅电刺激调控脑电装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种便携式经颅电刺激调控脑电装置，包括通过无线方式连接的脑电采刺设备和移动终端，所述脑电采刺设备包括：
弹性脑电帽；
两用电极，安装于所述弹性脑电帽上，集脑电信号采集与经颅电刺激功能为一体；
采刺硬件模块，粘贴于所述弹性脑电帽上，并分别连接所述移动终端和两用电极，实现脑电信号采集与经颅电刺激功能；
所述采刺硬件模块包括与所述移动终端连接的、具有多条功能通道的排插口，在移动终端的控制下选择不同功能通道导通。
作为上述方案的进一步说明，所述弹性脑电帽为适用于10-20国际标准导联***的脑电帽。
作为上述方案的进一步说明，所述采刺硬件模块通过魔术贴与所述弹性脑电帽连接。
作为上述方案的进一步说明，所述采刺硬件模块包括蓝牙模块、微控制器、脑电采集电路、经颅电刺激电路和电源电路，所述微控制器分别连接蓝牙模块、脑电采集电路和经颅电刺激电路，所述电源电路分别连接脑电采集电路和经颅电刺激电路，所述蓝牙模块与移动终端连接。
作为上述方案的进一步说明，所述采刺硬件模块还包括用于指示脑电信号采集功能状态、经颅电刺激功能状态或不工作状态的功能指示灯。
作为上述方案的进一步说明，所述功能指示灯与排插口相对应，指示每通道正执行的功能。
作为上述方案的进一步说明，所述脑电采集电路包括依次连接的前置放大电路、低通滤波电路、工频陷波电路和ADS1299芯片，通过前置放大电路、低通滤波电路和工频陷波电路以获得更优质的脑电信号。
作为上述方案的进一步说明，所述经颅电刺激电路包括依次连接的AD9913芯片、差分放大电路、低通滤波电路和阻抗检测电路，通过差分放大电路以获得更优质的刺激波形；当阻抗检测超过阈值时，通过阻抗检测电路自动中断输出，保证人体安全。
作为上述方案的进一步说明，所述经颅电刺激的模式包括直流电刺激模式和标准方波、标准三角波以及自定义波形的交流电刺激模式。
作为上述方案的进一步说明，所述经颅电刺激的幅值范围0-2mA，频率0-1000Hz。
作为上述方案的进一步说明，所述功能通道包括波形绘制、数字处理、信号存储、频谱分析、刺激参数调整和自动调整模式。
作为上述方案的进一步说明，所述采刺硬件模块的体积为30mm×60mm×80mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明包括脑电采刺设备和移动终端，脑电采刺设备可通过弹性脑电帽方便地穿戴于被试者脑部，移动终端与脑电采刺设备无线通信，可通过分析采集到的脑电信号自动调整经颅电刺激的参数，并实现波形显示、频谱分析、参数调整等多种功能，实现了多通道可同步进行脑电信号采集及经颅电刺激的装置，便携性强。
(2)本发明采刺硬件模块包含放大、滤波等电路，提高脑电信号质量，其中，前置放大电路、低通滤波电路和工频陷波电路可获得更优质的脑电信号，差分放大电路可获得更优质的刺激波形，通过阻抗检测电路可在阻抗检测超过阈值时自动中断输出，保证人体安全。
(3)本发明采刺硬件模块的经颅电刺激电路可产生多种模式、幅值0-2mA、频率0-1000Hz的刺激波形，使用范围广。
(4)本发明移动终端可通过分析采集到的脑电信号自动调整经颅电刺激的参数，使用方便。
(5)本发明采刺硬件模块的体积30mm×60mm×80mm，可方便通过魔术贴与弹性脑电帽相连，整体体积小，方便携带，可以在社区医院或居家治疗使用。
附图说明
图1为本发明便携式经颅电刺激调控脑电装置的结构框图；
图2为本发明便携式经颅电刺激调控脑电装置的使用示意图；
图3为本发明装置的脑电采刺设备的大小及放置位置示意图；
图4为本发明装置的脑电采刺设备示意图；
图5为本发明使用的10-20国际标准导联***的脑电图定位示意图；
图6为本发明装置的移动终端功能示意图；
图7为本发明采刺硬件模块的结构框图；
图8为本发明采刺硬件模块的脑电采集电路结构框图；
图9为本发明采刺硬件模块的经颅电刺激电路结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参考图1和图2所示，本实施例提供一种便携式经颅电刺激调控脑电装置，包括通过无线方式连接的脑电采刺设备和移动终端7，脑电采刺设备包括弹性脑电帽1、两用电极2和采刺硬件模块3，两用电极2安装于弹性脑电帽1上；采刺硬件模块3粘贴于弹性脑电帽1上，并分别连接移动终端7和两用电极2，实现脑电信号采集与经颅电刺激功能；如图4所示，采刺硬件模块3包括与移动终端7连接的、具有多条功能通道的排插口5，在移动终端7的控制下选择不同功能通道导通。上述装置结合脑电采集技术和经颅电刺激的好处是双重的，通过脑电信号采集可以为后续的经颅电刺激优化刺激大脑的位置参数，在经颅电刺激后可以通过脑电信号量化评估治疗效果，及时评价脑部状态并调整经颅电刺激参数。便携式仪器也可以在社区医院或居家治疗使用。
本实施例中，弹性脑电帽1为适用于10-20国际标准导联***的脑电帽，根据10-20脑电图定位***预留电极安装位置，可在其上自选电极放置位置，10-20的脑电图定位如图5所示。
本实施例中，采刺硬件模块3通过魔术贴与弹性脑电帽1连接，使用方便。采刺硬件模块3的外壳长40mm，宽30mm，高80mm，可方便固定于弹性脑电帽1后方，如图3所示。
如图7所示，本实施例的采刺硬件模块3包括蓝牙模块301、微控制器302、脑电采集电路303、经颅电刺激电路304和电源电路305，微控制器302分别连接蓝牙模块301、脑电采集电路303和经颅电刺激电路304，电源电路305分别连接脑电采集电路303和经颅电刺激电路304，蓝牙模块301与移动终端7连接。采刺硬件模块3用于实现脑电信号采集与经颅电刺激功能，可实现多种模式的经颅电刺激，包括直流电刺激模式和标准方波、标准三角波以及自定义波形的交流电刺激模式，经颅电刺激的幅值范围0-2mA，频率0-1000Hz。
如图8所示，脑电采集电路303包括依次连接的前置放大电路331、低通滤波电路332、工频陷波电路333和ADS1299芯片334，前置放大电路、低通滤波电路和工频陷波电路可获得更优质的脑电信号。
如图9所示，经颅电刺激电路304包括依次连接的AD9913芯片341、差分放大电路342、低通滤波电路343和阻抗检测电路344，差分放大电路可获得更优质的刺激波形；当阻抗检测超过阈值时，通过阻抗检测电路自动中断输出，保证人体安全。
移动终端7通过排插口5可选择的功能通道包括波形绘制、数字处理、信号存储、频谱分析、刺激参数调整和自动调整模式等。本实施例中具有十个排插口，供八条功能通道、一条接地线和一条参考电压线使用。
参考图4所示，采刺硬件模块3还包括用于指示脑电信号采集功能状态、经颅电刺激功能状态或不工作状态的功能指示灯4。本实施例中设有八个功能指示灯，指示每通道正执行的功能，当通道执行脑电信号采集功能时亮蓝灯，当通道执行经颅电刺激功能时亮绿灯，不工作时不亮灯。
参考图4所示，采刺硬件模块3还包括充电口6，电源使用可充放电的3.7V锂电池。
上述便携式经颅电刺激调控脑电装置使用时，使用者安装好两用电极后长按开机键开启采刺硬件模块3，采刺硬件模块3通过蓝牙模块与移动终端7进行通讯，确认连接后选择八通道各自的工作模式，控制信息通过蓝牙模块传输给采刺硬件模块3，如图7所示，蓝牙模块将接收到的信息传输给MCU，MCU控制每通道实现被选的功能。采刺硬件模块3开始工作后，MCU将采集到的脑电信号通过蓝牙模块传输给移动终端，移动终端***可进行脑电信号波形的绘制，在线通过巴特沃斯滤波器对原始信号进行数字处理，显示更优质的脑电信号，存储脑电原始信号，供后续离线分析数据使用。移动终端在线通过快速傅里叶变换实时分析脑电信号的频谱，通过频谱分布图及频谱占比直方图显示。移动终端可随时调整经颅电刺激的参数，如电流强度、频率、脉冲宽度、占空比、上升时间、下降时间、休息时间等。移动终端可根据预设的刺激方案自动调整刺激参数，通过分析所采集的脑电信号，根据脑电信号的特征关系自动调整刺激参数。
如图8所示，脑电采集通道通过两用电极采集大脑皮层的微电流，电流幅值范围为0.1-100μV，需通过前置放大电路进行一级放大，由于输入信号含有噪声，所以前置放大电路的放大倍数不宜过大，本装置设计前置放大倍数为25。脑电信号的频率主要为0.5-100Hz，为滤除信号中的高频干扰，本装置通过低通滤波电路除去100Hz以上的信号。硬件电路中，50Hz的工频干扰会对信号产生较大的干扰，本装置通过工频陷波电路滤去工频干扰，通过预处理电路提高信号质量。脑电信号通过ADS1299芯片进行编码后通过MCU控制传输给移动终端。
如图9所示，MCU接收到移动终端传输的电刺激参数后通过AD9913芯片合成刺激波形。本装置通过差分放大电路去除AD9913芯片产生的共模噪声并对信号进行10倍放大，再通过低通滤波器抑制高频噪声，提高输出波形的质量。阻抗检测电路每2s检测实时阻抗，当阻抗超出阈值后自动切断输出保证人体安全。
在某些实施方式中，移动终端可以采用手机或平板等。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，包括通过无线方式连接的脑电采刺设备和移动终端(7)，所述脑电采刺设备包括：
弹性脑电帽(1)；
两用电极(2)，安装于所述弹性脑电帽(1)上；
采刺硬件模块(3)，粘贴于所述弹性脑电帽(1)上，并分别连接所述移动终端(7)和两用电极(2)，实现脑电信号采集与经颅电刺激功能；
所述采刺硬件模块(3)包括与所述移动终端(7)连接的、具有多条功能通道的排插口(5)，在移动终端(7)的控制下选择不同功能通道导通。
2.根据权利要求1所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述采刺硬件模块(3)通过魔术贴与所述弹性脑电帽(1)连接。
3.根据权利要求1所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述采刺硬件模块(3)包括蓝牙模块(301)、微控制器(302)、脑电采集电路(303)、经颅电刺激电路(304)和电源电路(305)，所述微控制器(302)分别连接蓝牙模块(301)、脑电采集电路(303)和经颅电刺激电路(304)，所述电源电路(305)分别连接脑电采集电路(303)和经颅电刺激电路(304)，所述蓝牙模块(301)与移动终端(7)连接。
4.根据权利要求3所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述采刺硬件模块(3)还包括用于指示脑电信号采集功能状态、经颅电刺激功能状态或不工作状态的功能指示灯(4)。
5.根据权利要求3所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述脑电采集电路(303)包括依次连接的前置放大电路(331)、低通滤波电路(332)、工频陷波电路(333)和ADS1299芯片(334)。
6.根据权利要求3所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述经颅电刺激电路(304)包括依次连接的AD9913芯片(341)、差分放大电路(342)、低通滤波电路(343)和阻抗检测电路(344)。
7.根据权利要求1所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述经颅电刺激的模式包括直流电刺激模式和标准方波、标准三角波以及自定义波形的交流电刺激模式。
8.根据权利要求1所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述经颅电刺激的幅值范围0-2mA，频率0-1000Hz。
9.根据权利要求1所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述功能通道包括波形绘制、数字处理、信号存储、频谱分析、刺激参数调整和自动调整模式。
10.根据权利要求1所述的便携式经颅电刺激调控脑电装置，其特征在于，所述采刺硬件模块(3)的体积为30mm×60mm×80mm。
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