一种非侵入式闭环经颅电刺激装置的制作方法

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种非侵入式闭环经颅电刺激装置。

背景技术：

由于人体中存在血脑屏障，许多药物分子无法通过血液循环系统作用于大脑，对于帕金森病、抑郁症、孤独症等神经系统疾病来说可供选择的药物非常有限。再加上长期用药后由于人体耐药性而造成的疗效降低和药物副作用，多数患者无法通过药物治愈。

为了提高治疗效果，降低药物副作用，人们使用电、光、磁等物理刺激进行神经系统的调控。特别脑深部电刺激术在帕金森病的治疗中取得了很好的效果，但是脑深部电刺激术需要开颅手术植入刺激电极和刺激设备，手术风险较大，并且适应症比较局限，很难推广到其它神经系统疾病的治疗中。

而经颅电刺激器是将电刺激施加于患者头皮，无须手术植入电极，因此具有很好的安全性和可推广性。但是目前的经颅电刺激装置，无论是经颅直流电刺激器还是经颅交流电刺激器都属于开环系统，无法根据患者生理状态的变化动态调整刺激参数，无法做到精确的神经调控。

本发明可以采集包括脑电、肌电在内的多通道生理信号，并且通过实时信号分析来闭环调节作用于患者头皮的电刺激波形。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可采集包括脑电、肌电在内的多通道生理信号并且可实现基于实时信号分析的非侵入式闭环经颅电刺激的装置。

本发明提供的非侵入式闭环经颅电刺激装置，包括电极帽、前置放大器、主机和上位机；其中，电极帽通过线缆直接与前置放大器相连，前置放大器通过线缆直接与主机相连，主机与上位机之间通过wifi无线连接或者通过usb线缆直接连接。

所述的电极帽，包括弹力帽、多个盘状电极、多条屏蔽导线和连接插头；其中，弹力帽由柔软的弹性材料制作，大小可调节，用于将电极固定在使用者头部；盘状电极由银/氯化银粉末烧结而成，按照国际10-20脑电极定位方法固定在弹力帽上，用于脑电信号的采集和经颅电刺激的施加；屏蔽导线由铜芯、屏蔽层和绝缘层构成，导线通过绝缘材料固定在弹力帽上，将各盘状电极和连接插头相连。

所述的前置放大器，可直接与所述的电极帽中的连接插头相连；前置放大器包含多组电极选择开关和放大器；其中电极选择开关将盘状电极与放大器和电刺激波形发生器相连，用于进行各电极脑电采集和电刺激功能之间的切换；放大器将脑电信号进行前置放大，用于减少噪声对信号采集的干扰。

所述的主机，通过线缆与所述的前置放大器直接相连，用于脑电信号的采集、实时运算、传输和经颅电刺激信号的发生；主机包括多个滤波电路、多个放大器、多个模数转换器、微型控制器、dsp微型处理器、多个电刺激波形发生器、wifi通信模块和usb通信模块；其中，所述滤波电路与所述的前置放大器中的放大器相连，用于对脑电信号进行1-100hz的带通滤波；所述放大器与所述的滤波电路相连，用于对脑电信号进行二级放大；所述模数转换器与所述的放大器相连，用于对脑电信号进行采样并将其转换为数字信号；所述微型控制器与数模转换器、dsp微型处理器、刺激波形发生器、wifi通信模块和usb通信模块相连，作为中央处理器控制各单元运行；所述dsp微型处理器用于多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略的运算；所述电刺激波形发生器包括高速数模转换器、隔离放大器和选择开关，可由所述的微型控制器控制产生任意刺激波形，刺激电极位置可通过选择开关控制；所述wifi通信模块用于向上位机发送采集到的多通道脑电信号；所属usb通信模块用于从上位机下载多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略。

所述的上位机，为微型计算机，与所述的主机之间有两种连接方式：第一种方式为通过wifi无线连接，用于接收所述的主机采集到的多通道脑电信号并进行显示和记录；第二种方式为通过usb有线连接，用于将多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略下载到主机。

本发明可利用多通道脑电信号作为反馈进行闭环电刺激；本发明可用于科学实验和康复治疗等方面。

附图说明

图1为本发明整体示意图。

图2为本发明电极帽示意图。

图3为本发明电极帽电极分布图。

图4为本发明前置放大器电路示意图。

图5为本发明主机电路示意图。

图6为本发明主机中刺激波形发生器电路示意图。

图7为本发主机中微型控制器和dsp微型处理器协作模式示意图。

图中标号：1为使用者，2为电极帽，3为前置放大器，4为主机，5为上位机；21为弹力帽，22为盘状电极，23为屏蔽导线；31为多组选择开关，32为放大器；41位滤波电路，42为多个放大器，43为多个模数转换器，44为微型控制器，45为dsp微型处理器，46为多个电刺激波形发生器，47为wifi通信模块。48为usb通信模块；461为高速数模转换器，462为隔离放大器，463为选择开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，使用时需将脑电帽2佩戴于使用者1的头部，将电极帽2与前置放大器3连接，将前置放大器3与主机4连接，上位机5通过wifi与主机连接。本发明工作时可采集使用者1的多通道头皮脑电信号，并按照事先设置的多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略对经颅电刺激的输出波形进行实时地闭环调整，同时采集到的原始脑电信号会通过wifi发送给上位机5并可在上位机5上进行显示和记录。

参见图2，电极帽2由弹力帽21、固定在弹力帽21上的多个盘装电极22和屏蔽导线23组成，电极帽2松紧可调节。由于经颅电刺激电流远大于头皮脑电的大小，因此所有导线均使用屏蔽线以降低导线之间耦合产生的噪声。使用时需调整电极帽2的大小，使电极帽上的盘状电极贴近使用者头皮，并且需要在盘状电极22内注入导电膏，减小盘状电极22与使用者头皮的接触阻抗。

参见图3，电极帽2上固定的盘装电极22按照国际10-20脑电极分布方法分布，盘装电极22的数量包括但不限于图3所示的21个电极。

参见图4，前置放大器3包含多组选择开关31和放大器32，选择开关31和放大器32的数目与电极帽2中电极数目对应。对于每个特定的盘装电极22，由对应的选择开关将其选择性地接入放大器32或直接接入主机3中的刺激波形发生器中；当该盘状电极接入放大器时，其采集到的脑电信号被放大器进行第一级前置放大，减少噪声对其的影响；当该盘状电极接入刺激波形发生器时，用于将刺激波形发生器产生的电刺激传递至使用者头皮。

参见图5，主机包括包含多个滤波电路41、多个放大器42、多个模数转换器43、微型控制器44、dsp微型处理器45、多个电刺激波形发生器46、wifi通信模块47和usb通信模块48。其中滤波电路41、放大器42和模数转换器43的数目与电极帽2中的盘装电极22的数目对应，用于对使用者1的头皮脑电信号进行滤波、二级放大和采样；微型控制器44作为中央控制器，用于控制各单元的工作；dsp微型处理器45作为运算处理器，用于多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略的运算；电刺激波形发生器46用于产生经颅电刺激波形；wifi通信模块47用于将采集到的原始脑电信号发送至上位机5；usb通信模块48用于从上位机5下载多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略。

参见图6，电刺激波形发生器46包含高速数模转换器461、隔离放大器462和选择开关463。其中高速数模转换器461与微型控制器44相连，用于产生任意刺激波形；隔离放大器462与高速数模转换器相连，用于将刺激信号进行隔离放大；电刺激发生器46中的选择开关463与前置放大器中的3中的选择开关31需配合调整，用来选择刺激电极。

参见图7，微型处理器44从dsp微型处理器45获取初始化参数后进行初始化设置，之后微型处理器44将采集到的多通道脑电信号按照固定窗长传输给dsp微型处理器45，dsp微型处理器45上运行多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略得到控制参数并将其发送回微型处理器44，之后由微型处理器44根据dsp微型处理器45返回的控制参数控制刺激波形发生器46产生响应刺激波形。所述的初始化参数包括采集及刺激电极的选择、所述的固定窗长和采样率，初始化参数由运行在dsp微型处理器45上的多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略决定。

所述的多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略可由用户根据需要自定义。具体实施方式为将上位机5通过usb线缆与主机4相连，利用上位机上运行的软件将用户自定义的多通道脑电信号实时分析算法和闭环控制策略下载至主机中。