一种体外经颅磁刺激的神经效应评价装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种神经评价系统，特别涉及一种体外经颅磁刺激神经效应评价装 置。
【背景技术】
[0002] 经颅磁刺激作为一种无创的神经干预手段，被越来越多地用于神经疾病的康复治 疗和脑功能科学研究的领域。但是经颅磁刺激的作用机制仍然没有被完全阐明，临床和科 研上都需要能够精确测量和评价经颅磁刺激神经效应的仪器和方法。
[0003] 传统的经颅磁刺激神经效应的评价主要采用几种人体生理和行为学指标，包括静 息运动阈值(RMT )、运动触发电位(MEPs )、皮层静息期(CSP)和幻视阈值(PT)等。但是这些参 数只能对相应脑区的活动状态进行粗略的推测，无法提供经颅磁刺激神经效应的精确信 息，例如脑区活动的高精度时间和空间信息。而且这些参数局限于评价运动或视觉相关的 脑区，对于其他没有显性参数的脑区就无能为力了。
[0004] 如果采用神经影像学技术评价经颅磁刺激神经效应，例如功能核磁成像(fMRI)和 正电子发射断层扫描(PET)等，能够部分克服以上的局限。这些影像学技术能够测量动作和 视觉区之外的脑区活动。神经影像学技术普遍检测与血液相关的动态变化，如与神经活动 相关氧合反应(fMRI)和放射性标记示踪剂(PET)，脑血流和代谢的时空分布反映了神经兴 奋性和连通性的动态。然而这些替代信号的测量不能取代对神经活动的直接记录，特别是 对单细胞活动的记录。神经影像学技术的信号特异性和时空分辨率受到各种限制，如血管 结构、血流动力学反应和神经调节效果。没有足够的时间分辨率(fMRI，PET)和空间分辨率 (MEG)极大地限制了这些技术关联和定位神经活动的能力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种体外经颅磁刺激神经效应评价装置，通过经颅磁刺激 参数自动化闭环反馈优化程序，实现对经颅磁刺激神经效应进行高时空精度的测量、评价 和优化。
[0006] 本发明的目的还在于提供一种感应电场信号，神经信号和刺激参数处理程序。
[0007] -种体外经颅磁刺激神经效应评价装置，所述装置包括：
[0008] 经颅磁刺激器，用于产生经颅磁刺激序列；
[0009] 与经颅磁刺激器相连的刺激线圈，用于传导经颅磁刺激序列并作用于神经组织； [0010]培养所述神经组织的神经组织培养模块；
[0011] 与所述神经组织相连的动作电位传感模块，用于放大刺激在神经组织上产生的感 应电场信号和神经信号，并将信号输入计算机；
[0012] 与动作电位传感模块相连的信号处理和控制模块，用于在线识别神经信号和感应 电场信号，对不同经颅磁刺激序列产生的神经效应和感应电场进行分析并优化;并将优化 的参数反馈给经颅磁刺激器；
[0013] 所述信号处理和控制模块与所述经颅磁刺激器相连。
[0014] 所述神经组织培养模块包括分别与神经组织相连的氧气/二氧化碳气路，恒温器 和灌流单元，以及与灌流单元相连的懦动栗。
[0015] 所述动作电位传感模块包括电压传感器，与电压传感器相连的放大电路，与放大 电路相连的模数转换电路，以及与模数转换电路相连的逻辑控制电路；电压传感器将刺激 在神经组织上产生的感应电场信号和神经信号经过放大电路调理放大，在逻辑控制电路控 制下，通过模数转换电路输入计算机。
[0016] 所述模数转换电路采用ADS1246芯片，具有24位的转换精度;所述电压传感器包含 多个直径为10-100微米的薄膜电极，每个微电极涂覆有粗糙金/铂黑混合层，基材为玻璃基 板，电极点以外的表面覆盖绝缘层。
[0017] 所述信号处理和控制模块包括感应电场信号处理程序，神经信号处理程序和刺激 参数处理程序。
[0018] 所述刺激线圈为外径10-100毫米的8字形线圈，由50-500匝0.5-2毫米直径的漆包 铜线绕制，该线圈内置有一个U形铁芯。
[0019] 所述放大电路共有64个独立的通道，每个通道具有三级有源滤波和放大功能。
[0020] -种经颅磁刺激参数自动化闭环反馈优化程序，使用Labview编程，具有硬件控 制、数据显示、数据记录和数据处理功能，能够从计算机缓存读取数据、信号滤波、自适应计 算阈值、动作电位检测、动作电位波形识别、计算发放率、计算功能连接强度和多通道数据 实时显示，能够从软件界面设置采样率、带通滤波器、显示参数和存储参数;使用以下公式 计算每一对通道之间的协相关系数R lj:
[0021]
[0022]其中Cov两个通道的协方差，Var是通道自身的方差，m，nji J通道的动作电位时 间戳函数；
[0023] 再在此基础上计算每一通道和其它所有通道之间的相关度权重总和，使用以下方 程对每个通道计算功能连接强度值FCS:
[0024]
[0025]共中，Zij是用贾苦尔Z变换Rij的归一化值，Rij小于0.3不计入总和。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0027] 本发明的经颅磁刺激器和刺激线圈产生大功率经颅磁刺激序列，作用在神经组织 培养模块维持生存的体外神经组织上，电压传感器将刺激在神经组织上产生的感应电场信 号和神经信号经过放大电路调理放大，在逻辑控制电路控制下，通过模数转换电路输入计 算机。信号处理和控制模块在线识别神经信号和感应电场信号，对不同经颅磁刺激序列产 生的神经效应和感应电场进行分析，分析结果反馈给刺激参数处理程序，再对经颅磁刺激 参数进行优化，达到在体外对经颅磁刺激神经效应进行定量评价和改进优化的作用。
[0028] 本发明利用体外模型和检测技术，实现对经颅磁刺激神经效应进行高时空精度的 测量、评价和优化。经颅磁刺激神经效应能够在体外使用离散培养的神经细胞、脑组织切片 等体外模型进行评价。体外模型具有许多独特的优势，体外环境高度可控，体外模型对象简 单便于操作并且可以选择使用更多的检测评价手段。体外评价方式的这些特点能够弥补在 体评价方式面临的个体差异性、参数控制难、测量精度低和条件复杂等问题。体外神经电生 理研究的动作电位传感技术能够在单个细胞水平，以微伏量级的精度和微秒量级的时间分 辨率执行长期的、直接的、高通量的和非侵入性的细胞膜外测量。这些优势使得在体外对经 颅磁刺激神经效应进行大批量、高通量、高精度和可重复的评价成为可能。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的装置框图。
[0030] 图2是本发明装置的详细框图。
[0031 ]图3是本发明动作电位传感模块的放大电路原理图。
[0032]图4是本发明刺激线圈和动作电位传感模块的结构；
[0033] 图中，1-灌流单元，2-人工脑脊液，3-脑切片，4-电压传感器，5-放大器，6-恒温器， 7-刺激线圈，8-U形铁芯。
[0034] 图5是本发明经颅磁刺激参数自动化闭环反馈优化程序。
[0035]图6是本发明经颅磁刺激器的输出功率和刺激线圈位置校正程序。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本发明的保 护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0037] -种体外经颅磁刺激神经效应评价装置，如图1-2所示，所述装置包括：
[0038] 经颅磁刺激器，用于产生经颅磁刺激序列；
[0039] 与经颅磁刺激器相连的刺激线圈，用于传导经颅磁刺激序列并作用于神经组织；
[0040] 培养所述神经组织的神经组织培养模块；
[0041] 与所述神经组织相连的动作电位传感模块，用于放大刺激在神经组织上产生的感 应电场信号和神经信号，并将信号输入计算机；
[0042]与动作电位传感模块相连的信号处理和控制模块，用于在线识别神经信号和感应 电场信号，对不同经颅磁刺激序列产生的神经效应和感应电场进行分析并优化;并将优化 的参数反馈给经颅磁刺激器；
[0043]所述信号处理和控制模块与所述经颅磁刺激器相连。
[0044] 该装置的工作方法是:经颅磁刺激器和刺激线圈产生大功率经颅磁刺激序列，作 用在神经组织培养模块维持生存的体外神经组织上，电压传感器将刺激在神经组织上产生 的感应电场信号和神经信号经过放大电路调理放大，在逻辑控制电路控制下，通过模数转 换电路输入计算机。信号处理和控制模块在线识别神经信号和感应电场信号，对不同经颅 磁刺激序列产生的神经效应和感应电场进行分析，分析结果反馈给刺激参数处理程序，再 对经颅磁刺激参数进行优化，达到在体外对经颅磁刺激神经效应进行定量评价和改进优化 的作用。
[0045] 所述神经组织培养模块包括分别与神经组织相连的氧气/二氧化碳气路，恒温器 和灌流单元，以及与灌流单元相连的懦动栗。
[0046]所述动作电位传感模块包括电压传感器，与电压传感器相连的放大电路，与放大 电路相连的模数转换电路，以及与模数转换电路相连的逻辑控制电路；
[0047]所述动作电位传感模块工作方式如下：神经组织的电活动信号通过64通道的电压 传感器转换成微弱的电压模拟量，经放大电路后得到高幅值的电压模拟信号，再送至高精 度的模数转换器，逻辑控制电流控制转换时序，得到数字信号通过PCI总线输入计算机。
[0048]所述动作电位传感模块的放大电路原理图如图3所示，放大电路:共有64个独立的