專利名稱：一種經顱磁刺激裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種經顱磁刺激系統，特別是只基于Labview開發平臺的經顱磁 刺激系統。
背景技術：
經顱磁刺激(TranscranialMagnetic Stimulation TMS)是Barker 等于 1985 年首先創
立的一種皮層刺激方法，具有無痛、無損傷、操作簡便、安全可靠等優點，很快得到臨 床應用。所謂“經顱”是說明磁信號可以無衰減地透過顱骨而刺激到大腦皮質，實際應 用中并不局限于頭腦的刺激，外周神經肌肉同樣可以刺激，所以簡單稱作“磁刺激”也可以。磁刺激是一種物理刺激形式，它是利用時變電流流入線圈，產生高強度時變脈 沖磁場，時變脈沖磁場在組織內產生感應電場和感生電流，感應電流使某些可興奮組織 產生興奮的一種刺激方法。目前常用磁刺激的方法是通過電容器儲存電能，再通過線圈 放電，脈沖大電流通過線圈時形成強脈沖磁場，進而產生感生電場，從而達到刺激的目 的。目前公知的經顱磁刺激儀，其控制部分基本是嵌入式的，其特點是不需要使用 專門的計算機，體積小，成本低，性能高，但其軟件開發難，所用到的技術難度高，而 且對編程人的軟硬件基礎要求都很高，這樣很不利于用戶根據自定義使用。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種基于Labview的經顱磁刺激裝置，其優點是 操作方便，性能穩定，可隨時根據需要修改或升級系統，同時可以實現打印報告、數據 庫通信、軟件間互動等多項附加功能。為實現上述目的，本實用新型提供的經顱磁刺激裝置主要包括—高壓脈沖電源、一肌電采集裝置和一溫度測量裝置分別連接至一數據采集 卡；該數據采集卡連接至一微機；所述高壓脈沖電源與刺激線圈連接。所述的經顱磁刺激裝置，其中高壓脈沖電源、肌電采集裝置和溫度測量裝置分 別通過一接線盒連接至數據采集卡，或直接與數據采集卡之間用數據線連接。所述的經顱磁刺激裝置，其中刺激線圈由銅線繞制，繞制的形狀為圓形線圈、8 字型線圈、蝶形線圈或陣列線圈。所述的經顱磁刺激裝置，其中肌電采集裝置為雙通道抗干擾肌電信號采集模 塊。所述的經顱磁刺激裝置，其中接線盒為屏蔽式I/O接線盒。所述的經顱磁刺激裝置，其中數據采集卡為PCI數據采集卡。[0015]所述的經顱磁刺激裝置，其中溫度測量裝置由溫度傳感器、保護電路和增益放 大電路組成；溫度傳感器為鉬金屬溫度傳感器，增益放大部分采用內部頻率補償的雙運 算放大器。所述的經顱磁刺激裝置，其中高壓脈沖電源包括有充電電源、控制電路和放電 開關三部分。本實用新型的優點是1)功能全面通過Labview軟件編程及參數定義控制高壓脈沖電源對線圈充放 電，實現了經顱磁刺激的單刺激、重復刺激、隨機刺激、序列刺激等多種模式，同時擁 有肌電信號采集功能，溫度報警功能，序列倒計時功能，以及病人信息數據庫管理，病 人報告編輯和打印，遠程控制和數據通信等多項附加功能；2)充分發揮了計算機作用有強大的數據處理功能，保證了儀器運行速度和質 量；3)由于系統基于Labview編程，在不改變硬件的情況下，僅通過改變軟件，即 可根據用戶新的需要實現新的功能，非常方便靈活，是相當于軟件即硬件。
圖1是本實用新型的結構示意圖。圖2是本實用新型的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電源結構示意圖。圖3是本實用新型的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電源電原理圖。圖4是本實用新型的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電源EMI濾波和整流的電路原 理圖。圖5是本實用新型的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電源全橋逆變模塊電路原理 圖。圖6是本實用新型的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電源控制電路原理圖。圖7是本實用新型的經顱磁刺激裝置中肌電采集裝置的結構圖。圖8是圖7中信號放大部分的功能框圖。圖9是本實用新型的經顱磁刺激裝置中肌電采集裝置的電原理圖。圖10是本實用新型的經顱磁刺激裝置基于Labview編程平臺的軟件操作界面。圖11是本實用新型的經顱磁刺激裝置軟件操作流程圖。圖12是本實用新型的經顱磁刺激裝置中溫度測量裝置結構圖。圖13是本實用新型的經顱磁刺激裝置中溫度測量裝置電原理圖。
具體實施方式
請參閱圖1，本實用新型的基本結構是高壓脈沖電源1通過14根控制線與線圈2相連，高壓脈沖電源1、肌電采集裝 置3和溫度測量裝置8分別通過數據線與接線盒4相接，接線盒4又通過線纜5與電腦主 機中的PCI數據采集卡6相連，PCI數據采集卡6與Labview軟件7相互通信實現數模轉換。本實用新型中的接線盒4可以不用，即可將高壓脈沖電源1、肌電采集裝置3和溫度測量裝置8與PCI數據采集卡6直接通過線纜(數據線)相連，共計數據線24根， 其中包括12根高壓控制線，測溫線路2根，肌電采集線2根，5V電壓2根，地線6根。本實用新型的高壓脈沖電源1主要由充電電源、控制電路和放電開關三大部分 組成。其結構如圖2和圖3所示，其中圖2為本實施例的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電 源結構示意圖，圖3是本實施例的經顱磁刺激裝置中高壓脈沖電源電原理圖。充電電源中，濾波和整流模塊連接一全橋逆變模塊的輸入端；該全橋逆變模塊 的輸出端通過一高頻變壓器升壓模塊連接濾波整流模塊，該整流模塊的輸出端連接儲能 電容。充電電源的輸出端連接至放電開關的輸出入端；充電電源通過開機信號、主電Ok 信號等11根信號線與控制電路相連；控制電路通過一根放電時鐘線連接至放電開關。其中充電電源主要由EMI(低通)濾波和整流模塊(具體電路原理請參閱如圖4 所示)、全橋逆變模塊(具體電路原理圖如圖5a所示)、高頻變壓器升壓模塊(型號可采 用YD-PQ26/25、YD-G02)、濾波整流模塊(同圖4的整流模塊)和儲能電容(可以采用 2kv/luF的儲能電容)五個部分構成。其中的全橋逆變模塊主要由四只IGBT功率模塊構 成，四只IGBT分兩組(其中VTp VT2*—組，VT3、VT4為一組)導通閉合，從而控 制高頻變壓器的導通閉合。工作過程為220V的交流電經過EMI濾波和整流模塊和全 橋逆變模塊后形成交流的方波信號，方波信號經過高頻變壓器升壓和濾波整流后就形成 了高壓的電壓信號，最后將獲得的高壓對儲能電容充電。放電開關主要有兩個模塊構成MDD95-16 二極管模塊和SKKT250/16E可控硅 整流模塊。其中可控硅模塊作為可控制的放電點開關，二極管模塊作為放電開關的保護 電路。二極管的2管腳接可控硅模塊的輸入端，3管腳接可控硅模塊的輸出端，1腳與觸 發板的控制端相連。控制電路主要由接口板和觸發板組成，接口板主要是對進入的外部控制信號和 充電電源模塊返回的信號通過TPL521光耦隔離器進行隔離，之后輸出控制充電電源和放 電開關以及反饋信號給控制端，以防止高壓脈沖對控制信號造成干擾，以致損壞控制電 路。接口板主要由端接器件和光耦組成，信號經過輸入端輸給光耦輸入端，經光耦后輸 出給輸出端。觸發板主要由端接器件構成，起信號僑聯的作用。接口板的控制信號從 CZ3輸出，并接入觸發板的輸入端(如圖6所示)。本實用新型的高壓脈沖電源的具體參數如下最大輸出電壓1.5KV;輸出電壓可變0-1.5KV(由外接0-10V電壓控制)；輸出電壓脈沖寬度280-400微秒(寬度由外接TTL信號控制)；輸出電壓脈沖頻率輸出電壓為0.6KV時100Hz，輸出電壓為1.5KV時15Hz (頻 率由外接TTL信號控制)；最大輸出脈沖串個數500個；兩個脈沖串之間的最短間隔3秒。本實用新型的線圈2由銅線繞制，根據繞制的形狀不同，可分為圓形線圈、8字 型線圈、蝶形線圈、陣列線圈等，根據不同的刺激需要，其尺寸也不盡相同，常用的圓 形線圈直徑為90mm，8字型線圈則為2*90mm。控制線一端與繞制的銅線端口相接，另 一端與高壓脈沖電源相連，共14根。[0050]本實用新型的肌電采集裝置3為雙通道抗干擾肌電信號采集模塊，其各項參數 為放大倍數5000倍，分三檔；共模抑制比80分貝；導聯為雙導；前級為浮地；后級 為光電耦合；頻率響應為2-2KHZ。圖7給出了本實用新型肌電采集裝置各部件連接結構圖。肌電采集裝置主要由電極、信號放大部分(增益放大電路、增益控制電路、光 耦隔離器、陷波器)及信號采集系統組成。該采集裝置為雙通道，每個通道有3個電極， 分別為活動電極、參考電極和地，用于采集人體的肌電信號，使用方法為公知技術。電 極通過數據線與信號放大部分電路相連。電極采集到的肌電信號經信號放大部分進行放 大后，再通過信號采集系統進行采集，采集方式可為公知的信號采集方法/技術，本實 施的信號放大部分與信號采集系統之間有4條數據線相連，2條為雙通道各自的信號線，
1條為地線，1條為電源線，4條數據線接到NI公司提供的接線盒上，接線盒再通過屏蔽 式線纜與計算機PCI卡相連，PCI卡與上層Labview軟件通信，采集肌電信號。圖8是圖7中信號放大部分的示意圖。圖9是本實施例的經顱磁刺激裝置中肌電采集裝置的電原理圖。由于肌電裝置需要與人體直接接觸，所以對電源的要求比較嚴格，本實新型在 光耦隔離器TLP521之前的電路中的電源采用浮地電源Vf，光耦之后的電路采用實地電 源Vs，這樣就能阻斷外部干擾信號對微弱的肌電信號的干擾，提高整個電路的電磁兼容 性。同時在電路中采用了 TLP521光耦隔離器，將前端的肌電信號放大電路與后端的信號 采集電路充分地進行光耦隔離，避免后端的高壓信號對前端電路造成影響，提高裝置的 高壓隔離度和抗高壓能力。請參閱圖8和圖9所示，本實施例的高增益信號放大電路中，采用了兩個低功耗 場效應輸入的四運算放大器LF444和兩個低噪聲高精度運算放大器OP07。其中第一個 LF444構成第一級差分輸入單端輸出的高輸入阻抗的差分放大電路，差分出入電路能夠 提供很高的共模抑制比，有利于提高信號質量。第二個LF444中的兩個運放構成了該電路的第二級主要增益控制電路，在每 個運放的輸入端增加了撥段開關，通過撥段開關即可以調節電路的增益，也可以調節 電路的時間參數和電路的通帶范圍。該電路的最大可調增益為60dB，可調通帶范圍為 0-2KHz。經過主要增益控制電路后，由OP07構成的一個光隔離匹配器和帶零位調節的緩 沖器，之后再經過光耦隔離器TLP521。光耦隔離器出來的信號經過一個由3個IuF電容、2個536K和1個267K電阻 構成的50Hz陷波器。該陷波器能夠防止50HZ的工頻干擾，同時還具有低通濾波器的效
^ ο最后由陷波器出來的信號再經OP07運算放大器放大，并輸出給采集設備。本實用新型采用的運算放大器LF444和OP07，以及光耦隔離器TLP521均為公 知的模塊。本實用新型接線盒4可采用美國國家儀器(Ni)公司推出的與PCI 6221卡配套的 接線盒，其型號為NISCB-68。NI SCB-68是一款屏蔽式I/O接線盒，可將I/O信號連 往配有68針連接端口的插入式數據采集(DAQ)設備(PCI 6221)。結合屏蔽式線纜時，
6SCB-68可提供堅固且噪音極低的信號終端。本實用新型的線纜5為美國NI公司推出的與PCI 6221數據采集卡配套的屏蔽式 線纜，其型號為NI SHC68-68-EPM。NI SHC68-68-EPM可將NI公司68針X系列和M 系列設備連至68針附件，長度分為0.5米、1米、2米、5米和10米，具有單獨屏蔽模擬 雙絞線，用于降低高速板卡的串擾。本實用新型的PCI數據采集卡6為美國NI公司提供的PCI 6221數據采集卡，其 相關參數為2路16位模擬輸出(頻率范圍833kS/s)，高達24路數字I/O; 32位計數 器；數字觸發，16路單端輸入(采樣率為250KS/S，最大電壓范圍士 10V)，關聯DIO(8 條時鐘線，IMHz)，NIST校準認證書以及70多個信號調理選項。本實用新型的Labview控制軟件7，是由美國國家儀器(Ni)公司研制開發的。 Labview是一種程序開發環境，類似于C和BASIC開發環境，但是Labview與其他計算機 語言的顯著區別是其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而Labview使 用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。本實用新型將Labview 軟件安裝在Windows操作系統下，該軟件通過與PCI 6221卡通信，進行數模轉換，實現 控制目的。圖10、11展示了本實用新型中經顱磁刺激儀Labview軟件操作界面及操作流程 圖。本實用新型的經顱磁刺激裝置的工作原理，即Labview作為控制端控制高壓脈沖 電源充電、放電，通過在Labview軟件界面設定各種參數，以確定高壓脈沖電源輸出脈沖 的幅度、脈寬和頻率；高壓脈沖電源放電產生高壓脈沖或高壓脈沖串，高壓脈沖通過刺 激線圈產生強脈沖電流從而獲得強磁場，進而在組織內產生感應電場，達到刺激目的； 溫度測量裝置檢測線圈溫度，將溫度值反饋給Labview控制軟件，以實現對線圈溫度的實 時監測和控制。本實用新型的工作流程為PC機通過控制電路設置充電電源的參數，控制電源 將交流電轉換為直流電，并對儲能電容充電，同時充電電源通過控制電路返回相應的狀 態給PC機，當充電電源充電完成，它返回給PC機充電就緒的信號，此時PC機就可以通 過控制電路控制放電開關將儲能電容中的電能釋放到線圈中。在此過程中，PC機還通過 控制電路時時監測線圈的狀態。本實用新型的經顱磁刺激裝置包括以下功能刺激方式上有單刺激、重復刺激、隨機刺激、序列模式4項，其中參數包 含刺激強度、頻率、持續時間、脈沖個數、脈沖串個數、等待時間等六項；狀態顯示功能有線圈連接狀態顯示，高壓脈沖電源充電狀態顯示，線圈溫度 過高報警提示，重復刺激與隨機刺激刺激剩余倒計時顯示等；附加功能有病人信息登記及讀取(含數據庫管理)，病人治療及診斷報告打印 (含肌電圖、治療參數、治療效果分析等多項)，以及遠程控制及數據通信等。其中病人 治療及診斷報告是系統結合病人各種信息自動生成的word文檔，操作者可根據自己需要 進行編輯，方便易用。單刺激、重復刺激、隨機刺激和序列模式設計原理相通，都是通過各自界面設 定參數，控制NIPCI-6221板卡輸出數字脈沖信號，包括脈沖信號的頻率和幅值。利用NI PCI-6221板卡的Counter 0通道控制放電脈沖信號的輸出。單刺激為一次觸發一個脈沖信號，重復刺激、隨機刺激和序列模式為一次觸發 多個脈沖信號，重復刺激頻率固定，隨機刺激每單次觸發一串脈沖信號的頻率為用戶設 定的頻率范圍內隨機產生，序列模式則為重復刺激的序列形式，即多個重復刺激的集合。單刺激、重復刺激、隨機刺激和序列模式通過設定放電強度參數，控制NI PCI-6221板卡輸出基準電壓模擬信號，利用PCI-6221板卡的AO O通道控制基準電壓信
號輸出。本實用新型的溫度測量裝置8，主要由溫度傳感器、保護電路和增益放大電路組 成。溫度傳感器采用了鉬金屬溫度傳感器PT100，增益放大部分采用了低功耗，具有內 部頻率補償的雙運算放大器LM358。此外，在增益放大電路的信號輸入端增加了防雷保 護電路，大大增強了溫度測量裝置的抗干擾能力。本實用新型的溫度測量裝置工作原理 是，溫度在0-100度變化時，當溫度上升時，輸入差分電路的差分信號變大，放大電路 的輸出電壓相應升高。本實用新型的溫度測量裝置其各部件連接關系圖如圖12，圖13是本實施例的電 原理圖。其中PT100置于線圈內部，用于感應線圈的溫度，感應回來的信號經增益放大 電路將信號發大后再送給信號采集系統進行采集。如果采用8字型線圈，則將PT100置 于8字型線圈的兩線圈交接處，與線圈一起由絕緣導熱硅橡膠灌封(數據線暴露在灌封的 線圈模塊的外面)。PT100通過普通連接線與增益放大電路相連，增益放大電路再通過 普通的連接線與信號采集系統相連。這個信號采集系統可以為公知的信號采集方式/技 術，本實施例的增益放大電路通過數據線與Labview的接線盒相連，接線盒再通過屏蔽式 線纜與計算機PCI卡相連，PCI卡與上層Labview軟件通信，采集溫度。肌電信號通過 LF444差分放大模塊后信號放大，再進入增益控制模塊，通過撥段開關調節電路的時間 參數和電路的通帶范圍，對信號進行增益控制；再通過光耦隔離器阻斷外部干擾信號對 微弱肌電信號的干擾，并避免后端的高壓信號對前端電路造成影響；最終通過濾波和運 算放大將信號輸出給采集設備。由圖13可以看出本實用新型的基于Labview的經顱磁刺激系統溫度測量裝置工 作原理，即溫度在0-100度變化時，當溫度上升時，PT100的阻值變大，輸入差分電 路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓AV相應升高。PT100、R2、R3和R4組成傳 感器測量電橋，輸出差分信號，為了保證電橋輸出電壓的穩定性，電橋的輸入電壓通過 TL431穩至2.5V。從電橋輸出的差分信號經過LM358雙運放兩級放大之后輸入數據采 集卡。其中調節電位器R3能夠調整差分輸入信號的大小，通常用于調整零點。D1、 D2、D3和D4為并聯在PT100上的防雷保護電路，它們是由4個高壓瞬態抑制二極管 SMBJ18A組成，它們能有效地提高電路的抗沖擊能力。
權利要求1.一種經顱磁刺激裝置，其特征在于，主要包括一高壓脈沖電源、一肌電采集裝置和一溫度測量裝置分別連接至一數據采集卡； 該數據采集卡連接至一微機； 所述高壓脈沖電源與刺激線圈連接。
2.如權利要求1所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，高壓脈沖電源、肌電采集裝置 和溫度測量裝置分別通過一接線盒連接至數據采集卡，或直接與數據采集卡之間用數據 線連接。
3.如權利要求1所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，刺激線圈由銅線繞制，繞制的 形狀為圓形線圈、8字型線圈、蝶形線圈或陣列線圈。
4.如權利要求1所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，肌電采集裝置為雙通道抗干擾 肌電信號采集模塊。
5.如權利要求2所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，接線盒為屏蔽式I/O接線盒。
6.如權利要求1所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，數據采集卡為PCI數據采集卡。
7.如權利要求1所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，溫度測量裝置由溫度傳感器、 保護電路和增益放大電路組成；溫度傳感器為鉬金屬溫度傳感器，增益放大部分采用內 部頻率補償的雙運算放大器。
8.如權利要求1所述的經顱磁刺激裝置，其特征在于，高壓脈沖電源包括有充電電 源、控制電路和放電開關三部分。
專利摘要一種經顱磁刺激裝置，主要包括一高壓脈沖電源、一肌電采集裝置和一溫度測量裝置分別連接至一數據采集卡；該數據采集卡連接至一微機的Labview控制軟件；所述高壓脈沖電源與刺激線圈連接。本實用新型通過Labview軟件控制高壓脈沖發生器作用于線圈，可實現磁刺激單脈沖，重復脈沖，隨機脈沖及序列脈沖多種刺激；通過溫度測量裝置與Labview軟件結合，可以采集線圈溫度并進行報警控制；通過Labview軟件與肌電采集裝置結合，可以采集肌電信號；此外，本實用新型還包含數據庫管理，打印報告，遠程控制，數據通信等多項附加功能，可廣泛用于精神科、神經科及實驗室作診斷治療之用。
文檔編號A61N2/04GK201799009SQ20102027012
公開日2011年4月20日 申請日期2010年7月26日 優先權日2010年7月26日
發明者夏偉杰, 許海田 申請人:香港腦泰科技有限公司