专利名称：一种经颅磁刺激装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种经颅磁刺激系统，特别是只基于Labview开发平台的经颅磁 刺激系统。
背景技术：
经颅磁刺激(TranscranialMagnetic Stimulation TMS)是Barker 等于 1985 年首先创
立的一种皮层刺激方法，具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点，很快得到临 床应用。所谓“经颅”是说明磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑皮质，实际应 用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激，所以简单称作“磁刺激”也可以。磁刺激是一种物理刺激形式，它是利用时变电流流入线圈，产生高强度时变脉 冲磁场，时变脉冲磁场在组织内产生感应电场和感生电流，感应电流使某些可兴奋组织 产生兴奋的一种刺激方法。目前常用磁刺激的方法是通过电容器储存电能，再通过线圈 放电，脉冲大电流通过线圈时形成强脉冲磁场，进而产生感生电场，从而达到刺激的目 的。目前公知的经颅磁刺激仪，其控制部分基本是嵌入式的，其特点是不需要使用 专门的计算机，体积小，成本低，性能高，但其软件开发难，所用到的技术难度高，而 且对编程人的软硬件基础要求都很高，这样很不利于用户根据自定义使用。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种基于Labview的经颅磁刺激装置，其优点是 操作方便，性能稳定，可随时根据需要修改或升级系统，同时可以实现打印报告、数据 库通信、软件间互动等多项附加功能。为实现上述目的，本实用新型提供的经颅磁刺激装置主要包括—高压脉冲电源、一肌电采集装置和一温度测量装置分别连接至一数据采集 卡；该数据采集卡连接至一微机；所述高压脉冲电源与刺激线圈连接。所述的经颅磁刺激装置，其中高压脉冲电源、肌电采集装置和温度测量装置分 别通过一接线盒连接至数据采集卡，或直接与数据采集卡之间用数据线连接。所述的经颅磁刺激装置，其中刺激线圈由铜线绕制，绕制的形状为圆形线圈、8 字型线圈、蝶形线圈或阵列线圈。所述的经颅磁刺激装置，其中肌电采集装置为双通道抗干扰肌电信号采集模 块。所述的经颅磁刺激装置，其中接线盒为屏蔽式I/O接线盒。所述的经颅磁刺激装置，其中数据采集卡为PCI数据采集卡。[0015]所述的经颅磁刺激装置，其中温度测量装置由温度传感器、保护电路和增益放 大电路组成；温度传感器为钼金属温度传感器，增益放大部分采用内部频率补偿的双运 算放大器。所述的经颅磁刺激装置，其中高压脉冲电源包括有充电电源、控制电路和放电 开关三部分。本实用新型的优点是1)功能全面通过Labview软件编程及参数定义控制高压脉冲电源对线圈充放 电，实现了经颅磁刺激的单刺激、重复刺激、随机刺激、序列刺激等多种模式，同时拥 有肌电信号采集功能，温度报警功能，序列倒计时功能，以及病人信息数据库管理，病 人报告编辑和打印，远程控制和数据通信等多项附加功能；2)充分发挥了计算机作用有强大的数据处理功能，保证了仪器运行速度和质 量；3)由于系统基于Labview编程，在不改变硬件的情况下，仅通过改变软件，即 可根据用户新的需要实现新的功能，非常方便灵活，是相当于软件即硬件。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是本实用新型的经颅磁刺激装置中高压脉冲电源结构示意图。图3是本实用新型的经颅磁刺激装置中高压脉冲电源电原理图。图4是本实用新型的经颅磁刺激装置中高压脉冲电源EMI滤波和整流的电路原 理图。图5是本实用新型的经颅磁刺激装置中高压脉冲电源全桥逆变模块电路原理 图。图6是本实用新型的经颅磁刺激装置中高压脉冲电源控制电路原理图。图7是本实用新型的经颅磁刺激装置中肌电采集装置的结构图。图8是图7中信号放大部分的功能框图。图9是本实用新型的经颅磁刺激装置中肌电采集装置的电原理图。图10是本实用新型的经颅磁刺激装置基于Labview编程平台的软件操作界面。图11是本实用新型的经颅磁刺激装置软件操作流程图。图12是本实用新型的经颅磁刺激装置中温度测量装置结构图。图13是本实用新型的经颅磁刺激装置中温度测量装置电原理图。
具体实施方式
请参阅图1，本实用新型的基本结构是高压脉冲电源1通过14根控制线与线圈2相连，高压脉冲电源1、肌电采集装 置3和温度测量装置8分别通过数据线与接线盒4相接，接线盒4又通过线缆5与电脑主 机中的PCI数据采集卡6相连，PCI数据采集卡6与Labview软件7相互通信实现数模转换。本实用新型中的接线盒4可以不用，即可将高压脉冲电源1、肌电采集装置3和温度测量装置8与PCI数据采集卡6直接通过线缆(数据线)相连，共计数据线24根， 其中包括12根高压控制线，测温线路2根，肌电采集线2根，5V电压2根，地线6根。本实用新型的高压脉冲电源1主要由充电电源、控制电路和放电开关三大部分 组成。其结构如图2和图3所示，其中图2为本实施例的经颅磁刺激装置中高压脉冲电 源结构示意图，图3是本实施例的经颅磁刺激装置中高压脉冲电源电原理图。充电电源中，滤波和整流模块连接一全桥逆变模块的输入端；该全桥逆变模块 的输出端通过一高频变压器升压模块连接滤波整流模块，该整流模块的输出端连接储能 电容。充电电源的输出端连接至放电开关的输出入端；充电电源通过开机信号、主电Ok 信号等11根信号线与控制电路相连；控制电路通过一根放电时钟线连接至放电开关。其中充电电源主要由EMI(低通)滤波和整流模块(具体电路原理请参阅如图4 所示)、全桥逆变模块(具体电路原理图如图5a所示)、高频变压器升压模块(型号可采 用YD-PQ26/25、YD-G02)、滤波整流模块(同图4的整流模块)和储能电容(可以采用 2kv/luF的储能电容)五个部分构成。其中的全桥逆变模块主要由四只IGBT功率模块构 成，四只IGBT分两组(其中VTp VT2*—组，VT3、VT4为一组)导通闭合，从而控 制高频变压器的导通闭合。工作过程为220V的交流电经过EMI滤波和整流模块和全 桥逆变模块后形成交流的方波信号，方波信号经过高频变压器升压和滤波整流后就形成 了高压的电压信号，最后将获得的高压对储能电容充电。放电开关主要有两个模块构成MDD95-16 二极管模块和SKKT250/16E可控硅 整流模块。其中可控硅模块作为可控制的放电点开关，二极管模块作为放电开关的保护 电路。二极管的2管脚接可控硅模块的输入端，3管脚接可控硅模块的输出端，1脚与触 发板的控制端相连。控制电路主要由接口板和触发板组成，接口板主要是对进入的外部控制信号和 充电电源模块返回的信号通过TPL521光耦隔离器进行隔离，之后输出控制充电电源和放 电开关以及反馈信号给控制端，以防止高压脉冲对控制信号造成干扰，以致损坏控制电 路。接口板主要由端接器件和光耦组成，信号经过输入端输给光耦输入端，经光耦后输 出给输出端。触发板主要由端接器件构成，起信号侨联的作用。接口板的控制信号从 CZ3输出，并接入触发板的输入端(如图6所示)。本实用新型的高压脉冲电源的具体参数如下最大输出电压1.5KV;输出电压可变0-1.5KV(由外接0-10V电压控制)；输出电压脉冲宽度280-400微秒(宽度由外接TTL信号控制)；输出电压脉冲频率输出电压为0.6KV时100Hz，输出电压为1.5KV时15Hz (频 率由外接TTL信号控制)；最大输出脉冲串个数500个；两个脉冲串之间的最短间隔3秒。本实用新型的线圈2由铜线绕制，根据绕制的形状不同，可分为圆形线圈、8字 型线圈、蝶形线圈、阵列线圈等，根据不同的刺激需要，其尺寸也不尽相同，常用的圆 形线圈直径为90mm，8字型线圈则为2*90mm。控制线一端与绕制的铜线端口相接，另 一端与高压脉冲电源相连，共14根。[0050]本实用新型的肌电采集装置3为双通道抗干扰肌电信号采集模块，其各项参数 为放大倍数5000倍，分三档；共模抑制比80分贝；导联为双导；前级为浮地；后级 为光电耦合；频率响应为2-2KHZ。图7给出了本实用新型肌电采集装置各部件连接结构图。肌电采集装置主要由电极、信号放大部分(增益放大电路、增益控制电路、光 耦隔离器、陷波器)及信号采集系统组成。该采集装置为双通道，每个通道有3个电极， 分别为活动电极、参考电极和地，用于采集人体的肌电信号，使用方法为公知技术。电 极通过数据线与信号放大部分电路相连。电极采集到的肌电信号经信号放大部分进行放 大后，再通过信号采集系统进行采集，采集方式可为公知的信号采集方法/技术，本实 施的信号放大部分与信号采集系统之间有4条数据线相连，2条为双通道各自的信号线，
1条为地线，1条为电源线，4条数据线接到NI公司提供的接线盒上，接线盒再通过屏蔽 式线缆与计算机PCI卡相连，PCI卡与上层Labview软件通信，采集肌电信号。图8是图7中信号放大部分的示意图。图9是本实施例的经颅磁刺激装置中肌电采集装置的电原理图。由于肌电装置需要与人体直接接触，所以对电源的要求比较严格，本实新型在 光耦隔离器TLP521之前的电路中的电源采用浮地电源Vf，光耦之后的电路采用实地电 源Vs，这样就能阻断外部干扰信号对微弱的肌电信号的干扰，提高整个电路的电磁兼容 性。同时在电路中采用了 TLP521光耦隔离器，将前端的肌电信号放大电路与后端的信号 采集电路充分地进行光耦隔离，避免后端的高压信号对前端电路造成影响，提高装置的 高压隔离度和抗高压能力。请参阅图8和图9所示，本实施例的高增益信号放大电路中，采用了两个低功耗 场效应输入的四运算放大器LF444和两个低噪声高精度运算放大器OP07。其中第一个 LF444构成第一级差分输入单端输出的高输入阻抗的差分放大电路，差分出入电路能够 提供很高的共模抑制比，有利于提高信号质量。第二个LF444中的两个运放构成了该电路的第二级主要增益控制电路，在每 个运放的输入端增加了拨段开关，通过拨段开关即可以调节电路的增益，也可以调节 电路的时间参数和电路的通带范围。该电路的最大可调增益为60dB，可调通带范围为 0-2KHz。经过主要增益控制电路后，由OP07构成的一个光隔离匹配器和带零位调节的缓 冲器，之后再经过光耦隔离器TLP521。光耦隔离器出来的信号经过一个由3个IuF电容、2个536K和1个267K电阻 构成的50Hz陷波器。该陷波器能够防止50HZ的工频干扰，同时还具有低通滤波器的效
^ ο最后由陷波器出来的信号再经OP07运算放大器放大，并输出给采集设备。本实用新型采用的运算放大器LF444和OP07，以及光耦隔离器TLP521均为公 知的模块。本实用新型接线盒4可采用美国国家仪器(Ni)公司推出的与PCI 6221卡配套的 接线盒，其型号为NISCB-68。NI SCB-68是一款屏蔽式I/O接线盒，可将I/O信号连 往配有68针连接端口的插入式数据采集(DAQ)设备(PCI 6221)。结合屏蔽式线缆时，
6SCB-68可提供坚固且噪音极低的信号终端。本实用新型的线缆5为美国NI公司推出的与PCI 6221数据采集卡配套的屏蔽式 线缆，其型号为NI SHC68-68-EPM。NI SHC68-68-EPM可将NI公司68针X系列和M 系列设备连至68针附件，长度分为0.5米、1米、2米、5米和10米，具有单独屏蔽模拟 双绞线，用于降低高速板卡的串扰。本实用新型的PCI数据采集卡6为美国NI公司提供的PCI 6221数据采集卡，其 相关参数为2路16位模拟输出(频率范围833kS/s)，高达24路数字I/O; 32位计数 器；数字触发，16路单端输入(采样率为250KS/S，最大电压范围士 10V)，关联DIO(8 条时钟线，IMHz)，NIST校准认证书以及70多个信号调理选项。本实用新型的Labview控制软件7，是由美国国家仪器(Ni)公司研制开发的。 Labview是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是Labview与其他计算机 语言的显著区别是其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使 用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。本实用新型将Labview 软件安装在Windows操作系统下，该软件通过与PCI 6221卡通信，进行数模转换，实现 控制目的。图10、11展示了本实用新型中经颅磁刺激仪Labview软件操作界面及操作流程 图。本实用新型的经颅磁刺激装置的工作原理，即Labview作为控制端控制高压脉冲 电源充电、放电，通过在Labview软件界面设定各种参数，以确定高压脉冲电源输出脉冲 的幅度、脉宽和频率；高压脉冲电源放电产生高压脉冲或高压脉冲串，高压脉冲通过刺 激线圈产生强脉冲电流从而获得强磁场，进而在组织内产生感应电场，达到刺激目的； 温度测量装置检测线圈温度，将温度值反馈给Labview控制软件，以实现对线圈温度的实 时监测和控制。本实用新型的工作流程为PC机通过控制电路设置充电电源的参数，控制电源 将交流电转换为直流电，并对储能电容充电，同时充电电源通过控制电路返回相应的状 态给PC机，当充电电源充电完成，它返回给PC机充电就绪的信号，此时PC机就可以通 过控制电路控制放电开关将储能电容中的电能释放到线圈中。在此过程中，PC机还通过 控制电路时时监测线圈的状态。本实用新型的经颅磁刺激装置包括以下功能刺激方式上有单刺激、重复刺激、随机刺激、序列模式4项，其中参数包 含刺激强度、频率、持续时间、脉冲个数、脉冲串个数、等待时间等六项；状态显示功能有线圈连接状态显示，高压脉冲电源充电状态显示，线圈温度 过高报警提示，重复刺激与随机刺激刺激剩余倒计时显示等；附加功能有病人信息登记及读取(含数据库管理)，病人治疗及诊断报告打印 (含肌电图、治疗参数、治疗效果分析等多项)，以及远程控制及数据通信等。其中病人 治疗及诊断报告是系统结合病人各种信息自动生成的word文档，操作者可根据自己需要 进行编辑，方便易用。单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式设计原理相通，都是通过各自界面设 定参数，控制NIPCI-6221板卡输出数字脉冲信号，包括脉冲信号的频率和幅值。利用NI PCI-6221板卡的Counter 0通道控制放电脉冲信号的输出。单刺激为一次触发一个脉冲信号，重复刺激、随机刺激和序列模式为一次触发 多个脉冲信号，重复刺激频率固定，随机刺激每单次触发一串脉冲信号的频率为用户设 定的频率范围内随机产生，序列模式则为重复刺激的序列形式，即多个重复刺激的集合。单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式通过设定放电强度参数，控制NI PCI-6221板卡输出基准电压模拟信号，利用PCI-6221板卡的AO O通道控制基准电压信
号输出。本实用新型的温度测量装置8，主要由温度传感器、保护电路和增益放大电路组 成。温度传感器采用了钼金属温度传感器PT100，增益放大部分采用了低功耗，具有内 部频率补偿的双运算放大器LM358。此外，在增益放大电路的信号输入端增加了防雷保 护电路，大大增强了温度测量装置的抗干扰能力。本实用新型的温度测量装置工作原理 是，温度在0-100度变化时，当温度上升时，输入差分电路的差分信号变大，放大电路 的输出电压相应升高。本实用新型的温度测量装置其各部件连接关系图如图12，图13是本实施例的电 原理图。其中PT100置于线圈内部，用于感应线圈的温度，感应回来的信号经增益放大 电路将信号发大后再送给信号采集系统进行采集。如果采用8字型线圈，则将PT100置 于8字型线圈的两线圈交接处，与线圈一起由绝缘导热硅橡胶灌封(数据线暴露在灌封的 线圈模块的外面)。PT100通过普通连接线与增益放大电路相连，增益放大电路再通过 普通的连接线与信号采集系统相连。这个信号采集系统可以为公知的信号采集方式/技 术，本实施例的增益放大电路通过数据线与Labview的接线盒相连，接线盒再通过屏蔽式 线缆与计算机PCI卡相连，PCI卡与上层Labview软件通信，采集温度。肌电信号通过 LF444差分放大模块后信号放大，再进入增益控制模块，通过拨段开关调节电路的时间 参数和电路的通带范围，对信号进行增益控制；再通过光耦隔离器阻断外部干扰信号对 微弱肌电信号的干扰，并避免后端的高压信号对前端电路造成影响；最终通过滤波和运 算放大将信号输出给采集设备。由图13可以看出本实用新型的基于Labview的经颅磁刺激系统温度测量装置工 作原理，即温度在0-100度变化时，当温度上升时，PT100的阻值变大，输入差分电 路的差分信号变大，放大电路的输出电压AV相应升高。PT100、R2、R3和R4组成传 感器测量电桥，输出差分信号，为了保证电桥输出电压的稳定性，电桥的输入电压通过 TL431稳至2.5V。从电桥输出的差分信号经过LM358双运放两级放大之后输入数据采 集卡。其中调节电位器R3能够调整差分输入信号的大小，通常用于调整零点。D1、 D2、D3和D4为并联在PT100上的防雷保护电路，它们是由4个高压瞬态抑制二极管 SMBJ18A组成，它们能有效地提高电路的抗冲击能力。
权利要求1.一种经颅磁刺激装置，其特征在于，主要包括一高压脉冲电源、一肌电采集装置和一温度测量装置分别连接至一数据采集卡； 该数据采集卡连接至一微机； 所述高压脉冲电源与刺激线圈连接。
2.如权利要求1所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，高压脉冲电源、肌电采集装置 和温度测量装置分别通过一接线盒连接至数据采集卡，或直接与数据采集卡之间用数据 线连接。
3.如权利要求1所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，刺激线圈由铜线绕制，绕制的 形状为圆形线圈、8字型线圈、蝶形线圈或阵列线圈。
4.如权利要求1所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，肌电采集装置为双通道抗干扰 肌电信号采集模块。
5.如权利要求2所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，接线盒为屏蔽式I/O接线盒。
6.如权利要求1所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，数据采集卡为PCI数据采集卡。
7.如权利要求1所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，温度测量装置由温度传感器、 保护电路和增益放大电路组成；温度传感器为钼金属温度传感器，增益放大部分采用内 部频率补偿的双运算放大器。
8.如权利要求1所述的经颅磁刺激装置，其特征在于，高压脉冲电源包括有充电电 源、控制电路和放电开关三部分。
专利摘要一种经颅磁刺激装置，主要包括一高压脉冲电源、一肌电采集装置和一温度测量装置分别连接至一数据采集卡；该数据采集卡连接至一微机的Labview控制软件；所述高压脉冲电源与刺激线圈连接。本实用新型通过Labview软件控制高压脉冲发生器作用于线圈，可实现磁刺激单脉冲，重复脉冲，随机脉冲及序列脉冲多种刺激；通过温度测量装置与Labview软件结合，可以采集线圈温度并进行报警控制；通过Labview软件与肌电采集装置结合，可以采集肌电信号；此外，本实用新型还包含数据库管理，打印报告，远程控制，数据通信等多项附加功能，可广泛用于精神科、神经科及实验室作诊断治疗之用。
文档编号A61N2/04GK201799009SQ20102027012
公开日2011年4月20日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者夏伟杰, 许海田 申请人:香港脑泰科技有限公司