一种可实现时间干涉的电刺激仪

1.本发明涉及一种可实现时间干涉的电刺激仪。


背景技术：

2.经颅电刺激(tes)为一种非侵入性的无创电刺激技术，因为其无创的特点，对病人身体和心理伤害较小，成为了近年来用于脑功能研究和治疗的热点。区别于经颅磁刺激(tms)使用磁场在人体内生成电流，以及传统深度脑刺激需要进行手术和药物治疗，经颅电刺激只需直接连接放置于人脑相应部位的电极释放电流刺激，大部分无需复杂的系统和算法，可以设计得更为廉价、方便、易于使用。经颅电刺激一般可以根据其输出的刺激波形进行分类：经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tdcs)，经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation，tacs)和经颅随机噪声刺激(transcranial random noise stimulation，trns)等。
3.时间干涉(temporally interfering，ti)为2017年提出的一种特殊的交流电刺激(tacs)方法，相比于传统tacs刺激ti需要使用高频交流电刺激(大于1khz)输入大脑，利用高频信号刺激深度较深以及存在频率差的双通道刺激信号产生的低频包络的特点，对脑内特定区域进行一定频率的交流电刺激，而不对周围脑区产生干扰，其刺激频率由通道间频率差产生的包络频率决定，所以对通道间参数设定较为敏感。
4.目前国内外临床实验常用的刺激为经颅直流电刺激和经颅交流电刺激，所以目前市面上商用设备主要提供直流电、低频交流电或者随机信号，且多以国外公司为主，如ne与soterix medical，国内商用设备几乎为零且绝大部分都是直流电刺激，其余多为实验室自主研发，但由于时间干涉刺激提出时间较晚且对通道间输出信号关联性要求较高，导致目前市面上几乎没有能支持ti实验的设备。
5.公开号为cn210384587u的专利申请公开了一种经颅电刺激仪，提出了一种能通过实时监测阻抗参数自动调整输出电流完成相关刺激实验的电刺激仪。其主要分为电源、人机交互模块、电压调节模块与阻抗检测模块。利用阻抗检测模块实现对电极阻抗的实时检测，通过返回数据进入电压调节模块实时调节输出电压保证的方法保证刺激实验的正常进行。但是该电刺激仪只支持单通道电流刺激，且只阐述了可以通过上位机调节实时输出电流，并未提及其他参数。
6.公开号为cn112891734a的专利申请公开了一种高精度经颅电刺激装置，设计了一种能提供多通道高精度的经颅电刺激设备。一个中心电极配合对各辅助电极作为一组，辅助电极环绕中心电极安放，可同时配置多组刺激，这样可以提高空间聚焦性、精准度、刺激效果和后效应时间，同时该申请还引入了一个预扫描机制，如图1所示，在正式刺激前测试各通道接触质量保证接触最佳状态，可实现n
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1或者1
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n的刺激模式，但是无法做到多通道同时刺激，无法满足时间干涉刺激需求。
7.公开号为cn209809314u的专利申请公开了一种实时监测刺激电流的经颅电刺激仪。只要通过mcu与上位机交互发送控制信号生成电压，再将电压信号作为标准控制恒流源
模块输出固定电流进入负载，同时将一个电阻与负载并联，通过检测定值电阻两端电压信息监控显示刺激电流保证安全性。该申请保证安全性与刺激效果的方法是通过在负载两端并联定值电阻实现，测量电阻两端电压,通过一定的换算得到通过人体的电流，如超过设定阈值中断刺激。该专利主要针对单通道直流刺激与电流监测，阻抗检测方法不适用于多通道刺激设备，且未讨论其是否适用于交流电刺激。
8.经颅电刺激通过输入电流刺激大脑相应脑区，激活或抑制神经元兴奋度从而使得脑区活跃度增加或减少，用这种方法调控大脑生成特殊波形或抑制脑内异常放电达到治疗脑部疾病的目的。所以对于一个电刺激设备来说，如何保证输出准确性和安全性是重中之重；同时需要针对时间干涉刺激(ti)进行优化，因此通道间输出的关联性也是需要考虑内容之一。
9.对于传统电刺激设备来说，支持参数较少(一般只有频率和幅值)、通道数较低(单通道为主)大多不支持拓展、频率输出范围较低不能适配ti刺激需求，大多数设备将所有功能封装在一起，修改困难导致迭代成本较高。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将所有计算于控制功能模块集成与同一片数字芯片，外围电路与芯片可独立迭代互不影响，同时可以在实验前与实验中实时监测各电极阻抗情况，在保证了输出安全性的同时也保证了信号输出的准确度的电刺激仪。
11.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可实现时间干涉的电刺激仪，包括上位机、数字芯片和外围电路；
12.所述上位机通过uart交互协议与数字芯片交换数据，在传出用户配置的各通道输出信息的同时接收阻抗数据并实时显示；
13.数字芯片内部根据功能不同将其主要划分为两个部分：数据控制端和数据处理端，数据控制端负责整个系统流程控制：解码来自上位机传输的控制信号；负责阻抗计算，并将其反馈于上位机；数据处理端利用dds输出配置信号，以及对传入芯片内部的数字信号进行前期复杂的预处理用于后续阻抗的数学计算；
14.外围电路包括dac、adc、压控电流源电路，dac和adc均与数字芯片相连，dac将数字芯片输出的数字控制信号转化为模拟电压信号后输出，在dac后外接一个压控电流源将输出模拟电压信号转化为电流信号并输出给每个刺激通道；adc采集模拟电压信号是为了实现阻抗检测，通过adc得到各电极实时电压信号，在数字芯片内处理这一组电压信号，最后实时反馈于上位机显示。
15.所述上位机具有电流手动校准功能，数字芯片具有电流自动校准功能；
16.自动校准通过在每个刺激通道电极的前端串联一个定值参考电阻ref实现，自动校准根据ref两端电压判断通过参考电阻的电流；具体方法为：上位机配置输出参数，并通过数字芯处理后输出电流信号给每个刺激通道，adc采集定值参考电阻ref两端电压，利用欧姆定理计算此时通过该通道的电流值，判断该电流值与需求电流值之间的误差，若误差大于预设阈值则利用dds输出控制字进行补偿；然后重复电压采集和电流值计算操作，直到该通道的电流值与需求电流值之间的误差小于或等于预设阈值，并将该通道的电流值反馈
信号给上位机显示；
17.手动校准通过在上位机手动修改参数调整输出，手动校准优先级高于自动校准。
18.本发明的有益效果是：
19.1、模块化设计但功能集成度高，将所有计算于控制功能模块集成与同一片数字芯片，其余模块像上位机、adda、压控电流源电路可随时更换或修改而不影响数字芯片内部逻辑，能够节约开发成本；同时为了保证输出的安全性加入了阻抗检测系统，可以在实验前与实验中实时监测各电极阻抗情况，在电极阻抗或输出信号出现异常时上位机会实时显示，在保证了输出安全性的同时也保证了信号输出的准确度。
20.2、可设定参数丰富且范围较大，支持传统电刺激(tdcs、tacs)，支持输出ti刺激波形，其中可控参数有：频率、幅值、相位、延时以及持续时间，特别是加入的相位调整，可补偿模拟输出产生的相位偏移误差；
21.3、拓展性强且迭代简单，所有逻辑内置于数字芯片，可随时对其内部代码进行迭代而无需更换配套软硬件设备，且预留usb、网口等通用接口，方便后续根据需求定制拓展。
附图说明
22.图1为一种高精度经颅电刺激装置的结构示意图；
23.图2为本发明的可实现时间干涉的电刺激仪的结构示意图；
24.图3为自动校准装置的结构示意图；
25.图4为本发明的可实现时间干涉的电刺激仪的工作流程图。
具体实施方式
26.本发明首先使用同一片数字芯片及其晶振实现所有通道输出，保证了输出时序的一致性和通道间的强关联性；并且为了规避经过模拟电路后的输出可能存在的信号偏移，特别加入了相位调控，如果在刺激实验时输出存在相位偏移，可以手动调整相位；本设备将所有计算于控制功能模块集成与同一片数字芯片，外围电路与芯片可独立迭代互不影响，节约开发成本；同时为了保证输出的安全性加入了阻抗检测系统，可以在实验前与实验中实时监测各电极阻抗情况，在电极阻抗或输出信号出现异常时上位机会实时显示，在保证了输出安全性的同时也保证了信号输出的准确度。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
27.如图2所示，本发明的一种可实现时间干涉的电刺激仪，包括上位机、数字芯片和外围电路；三个部分设计互相独立，在保证模块间协议一致的情况下，可随时对其中任意一个模块进行修改或更换而无需对其他部分同时调整，这种设计方便整个设备进行后续的维护升级，降低迭代成本。
28.同时由于本发明为电流刺激，电压会根据负载变化而变化，而输出电压主要电极与人体接触时阻抗决定，如果阻抗过高可能导致电压增强，此时再持续进行刺激实验可能灼烧皮肤，于是本发明为了保证安全性，加入了一个阻抗检测系统，除了能实时监测当前电极阻抗信息，还能一定程度上辅助观察波形输出状态，因为当在接触良好的情况下如果突然出现阻抗显示变化过大，说明输出存在异常需要终止实验排除错误。
29.所述上位机通过uart交互协议与数字芯片交换数据，在传出用户配置的各通道输
出信息的同时接收阻抗数据并实时显示；各通道参数涉及范围主要与经颅电刺激实验挂钩，且需要考虑到ti刺激，频率范围设定为50-10khz,最大幅值为0.5-2ma，持续时间最高可达到1h且步进为1s，通道间延时最高可设定为10min步进同样为1s，同时加入的相位补偿范围为2π，精度为2π/1024。
30.所有控制和数据处理模块都集成于同一块芯片，这样可以用同一块晶振控制输出时序，保证通道间的强关联性，同时无需更改外部硬件的设计也方便随时对芯片内部设计进行迭代，本发明首选芯片为fpga，因为其自定义能力强且迭代简单可以降低开发以及后续维护成本。数字芯片内部根据功能不同将其主要划分为两个部分：数据控制端和数据处理端，数据控制端负责整个系统流程控制：解码来自上位机传输的控制信号；负责阻抗计算，并将其反馈于上位机；数据处理端利用dds(直接数字频率合成，direct digital synthesis)输出配置信号，以及对传入芯片内部的数字信号进行前期复杂的预处理用于后续阻抗的数学计算；
31.外围电路主要为adda(模数转换电路)以及压控电流源电路，adda为输出和接收模拟信号的必要电路之一，包括dac、adc、压控电流源电路，dac和adc均与数字芯片相连，dac将数字芯片输出的数字控制信号转化为模拟电压信号后输出，在dac后外接一个压控电流源将输出模拟电压信号转化为电流信号并输出给每个刺激通道；adc采集模拟电压信号是为了实现阻抗检测，通过adc得到各电极实时电压信号，在数字芯片内处理这一组电压信号，最后实时反馈于上位机显示。
32.因为本发明采用的压控电流源电路运放芯片最高输出只能达到12v，而电流输出固定时输出电压与阻抗大小挂钩，所以阻抗阈值设定为5kω，但实际测量时可以根据输出电流变化而有所放宽，可达到10kω。
33.为了保证刺激稳定性与安全性，数字芯片以及上位机两个部分分别加入了电流自动校准与手动校准功能，自动校准在刺激前对输出电流进行校准，在刺激中对整体输出电流进行一定修正的同时也负责监视整体电路电流输出情况以及辅助判断电极阻抗情况，而手动校准则可以在实验任何一个阶段对电流输出参数(主要为频率、幅值)进行补偿；
34.自动校准通过在每个刺激通道电极的前端串联一个定值参考电阻ref(如1kω)实现，如图3所示，图3为双通道电刺激仪结构。图中，in1、in2输入电流，ref1和ref2为参考电阻，r1、r2、r3、r4代表电极电阻，rt则为简化后的人体阻抗。
35.自动校准根据ref两端电压判断通过参考电阻的电流；具体方法为：上位机配置输出参数(主要是配置电流幅值)，并通过数字芯处理后输出电流信号给每个刺激通道，adc采集定值参考电阻ref两端电压，利用欧姆定理计算此时通过该通道的电流值，判断该电流值与需求电流值之间的误差，若误差大于预设阈值(5％)则利用dds输出控制字进行补偿；然后重复电压采集和电流值计算操作，直到该通道的电流值与需求电流值之间的误差小于或等于预设阈值，并将该通道的电流值反馈信号给上位机显示；
36.在进行校准时，每个通道会错开刺激时间，通道与通道错位刺激时间为秒级防止相互影响，而每个通道短时刺激时间控制在毫秒级，因为不能影响后续的刺激实验。
37.在刺激实验中也会进行一定程度的自动校准，刺激实验采用正弦波为主，且双通道同时刺激，无法直接计算，需经过加窗后的fft处理分离每个参考点电压情况，经fft处理后的信号误差较大不一定能精准校准，所以实验中需要降低自动校准的频率与精度，并且
自动校准会作为阻抗检测的辅助判断标准，根据欧姆定理整体电压除以整体电阻得到电流估算值，如果这个值与估算后流过参考电阻的电流差距过大，说明可能电极阻抗或者电流输入出现问题，此时需要终止实验查找原因，这样能最大程度保证在刺激实验中的安全性以及稳定性。
38.手动校准通过在上位机手动修改参数调整输出，是作为自动校准的备选方案，在自动校准达不到误差可接受范围内时或者在一些特殊情况下(自动校准失灵，在实验中自动校准可靠性一直达不到要求灯)需要手动设置补偿参数，手动校准优先级高于自动校准，可在刺激实验任何时刻进行。手动校准需要通过观察上位机显示参数判断，需要的上位机展示具体参数为：电极前端定值参考电阻两端电压以及计算后的各通道电流情况，各通道总电压情况，根据阻抗检测情况计算后的每个通道电流估计值。一般不需要手动校准，只有当上位机显示的各通道电流情况以及阻抗检测后得估计电流值误差过大才可能需要校准。
39.上位机控制/显示具体参数为：各通道输出参数配置(波形、频率、幅值、相位、持续时间、延迟时间)，或直接配置，各电极阻抗情况，各通道电流估计值，实验中经fft处理后的各个参考点电压情况(参考电阻两端电压以及各通道电压)，根据设定参数绘制的理论波形以及根据各点电压采集情况绘制的实时包络波形，各电极阻抗情况，必要信息打印。
40.本发明主要执行流程图如图4所示，当连接好硬件与pc后，在上位机配置输出配置参数后打开硬件开始刺激前阻抗测量，判断阻抗是否满足量程，这一步是为了保证电极与皮肤接触良好，防止出现瞬间电压过大烧伤皮肤，如果上位机阻抗测量出现异常，需要调整异常电极然后重新测量直到阻抗到达设定阈值，上位机重新配置各通道需求参数开始刺激输出。在刺激实验中本发明会对各电极阻抗进行实时检测，在保证安全性的同时也是对输出信号的校验，如果在实验中出现阻抗检测异常，立刻中断实验调整对应电极记录情况，然后决定是否重新开始整个实验，如果一直无异常发生，那么会持续刺激直到到达设定时间，输出终止，刺激结束。
41.核心处理步骤都内置于数字芯片，上位机和外围电路在满足交互协议的情况下可随时修改，大大拓展了整个系统的灵活度，同时不采用传统dds芯片而是自己单独设计，扩展了可修改范围，能最大程度定制所需的输出信号，方便后续的迭代更新。
42.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。