專利名稱：腦電信息反饋腦部疾病治療儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用微機控制的腦電信息反饋腦部疾病治療儀，屬微機控制電子醫療儀器技術領域。
目前國內外廣泛開展了生物反饋(Biofeedback)和磁場生物效應(Biologicaleffectofmagneticfield)的研究。在生物反饋方面，腦電(EEG)與肌電(EMG)生物反饋進展比較快。國外報導了腦電、肌電生物反饋對兒童多動癥具有療效，研究表明，通過腦電生物反饋可有效地提升腦電中α節律(alpharhythm)，并對伴有α節律降低或消失癥的患者有一定治療作用。生物反饋療法是通過病人的主觀意識調節自身病理過程，達到治療目的，因此這種治療方法周期較長，顯效慢。電磁療法及其設備得到了越來越廣泛的應用，但目前已有的電磁療裝置由于其產生的信號強度及頻率范圍并不適合治療神經系統腦部疾病。如中國專利CN2060075U是以人體肌電為依據來模擬生物信息進行反饋治療的儀器，該治療儀僅由硬件組成，是非智能化的，不能根據病人特點自動調整治療方案，產生最佳的治療信號。另外該儀以肌電為基礎設計，因此影響了用于治療與腦電關系密切的腦部疾病的療效。中國專利CN87106336A涉及了一種應用與心搏同步的低頻脈沖磁場進行治療的電磁醫療設備，輸出信號頻率為0.5-2Hz。這種頻率的信號對大腦神經系統是不利的。美國申請的中國專利CN85104357A帶有脈沖顯示皮膚刺激裝置，是將刺激電脈沖送給與病人皮膚相接觸的電極，通過電對神經的刺激來消除疼痛。病人在用其治療時會有疼痛的不適感，這種方式只能刺激皮膚表面神經和治療疼痛有關的疾病。
神經系統腦部疾病(BrainDisease)如腦血管病、腦萎縮、腦外傷、偏頭痛、癲癇等發病率高，造成的危害極大。腦部疾病與神經系統直接相關，均可致腦電基本節律的改變和腦電活動的異常。一些藥物對這類疾病的療效并不顯著，有的還具有毒副作用。另外現有的理療儀器并非針對腦部疾病特點而設計，可能會對腦神經系統造成損害。
本發明的目的在于彌補已有技術的不足，提供一種由微機控制的腦電信息反饋腦部疾病治療儀。
人體腦電按頻率成分可分為δ節律、θ節律、α節律、β節律。神經系統腦部疾病患者會伴有腦電α節律下降或消失，電活動波幅低，慢活動增加，癲癇病人還會有棘慢波發放。
針對腦部疾病的這些特點，利用腦電生物反饋及電磁場生物效應，來調節病人腦電活動，提升α節律，提高腦電波幅，抑制慢波或棘慢波出現，進而改善腦神經細胞電活動和代謝，減少腦血管阻力，增加血液循環，提高大腦對氧氣利用率，改善腦微循環，達到治療腦部疾病的目的。
腦電信息反饋治療儀是根據上述原理設計，其中腦電生物反饋以聲音為提示信號，用于提示病人腦電指標的好與差。研究表明人腦磁場強度約為10-8Gs數量級。據此儀器產生的電磁場在0～10Gs之間，頻率在8～10Hz。該電磁場置于病人頭部病變處和其它相關穴位上，其強度、頻率及空間分布均可由計算機根據對病人腦電實時分析結果自動調節。
治療過程中人與治療儀構成了一個整體。一方面病人可以通過生物反饋，借助于主觀努力調節腦波，另一方面治療儀則不斷實時測量分析病人腦電活動來調整電磁信號，使病人處于最佳治療狀態。病人與儀器形成了一個閉環控治系統，保障了治療儀的療效的穩定性，提高了治療的顯效率，使之具有安全、可靠、無副作用、無痛、可作用于深部神經組織等優點，這是電針療法無法相比的。該儀器的使用將為神經系統腦部疾病的治療開辟一條新途徑。
本發明腦電信息反饋腦部疾病治療儀由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分包括腦電信號放大濾波器1，A/D轉換板2，微型計算機主機3，及其外設顯示器4、軟盤驅動器5、硬盤驅動器6、鍵盤7、揚聲器8，D/A轉換板9，電磁場刺激器10。
A/D轉換板和D/A轉換板均插接于微機主機的擴展槽中。腦電信號放大濾波器1包括0.5Hz-300Hz的帶通電路和50Hz陷波的雙T有源濾波電路。這部分電路可做成電路板插入微機主機擴展槽中。
微型計算機主機3可以配有一浮點運算協處理器，從而大大提高了微機的運算速度，增強了反饋治療的實時性。
電磁場刺激器10包括適合于8-30Hz頻帶的功率放大器和電磁線圈，電磁線圈可作成帽式。除帽式電磁線圈外，其余線路及部件均置于微機主機3擴展槽內，帽式電磁線圈置于患者頭部。
本發明治療儀工作步驟如下(1)采用額區的腦電信號進行濾波放大，經A/D轉換后輸入微機;(2)微機初始化后進行腦電數據采集與分析，并根據分析結果進行腦電實時反饋控制;(3)微機輸出的控制信號一部分輸入揚聲器發出提示聲信號，進行生物反饋;另一部分則經D/A轉換后輸入電磁場刺激器，調整置于病人頭部電磁線圈所產生的電磁場的強度、頻率及隨時間變化，進行磁療;(4)治療完畢，CRT顯示治療過程中腦電指標曲線;(5)工作結束。
本發明
如下圖1是發明原理框圖，其中，B為患者頭部，1.腦電信號放大濾波板，2.A/D轉換板，3.微型計算機主機，4.顯示器，5.軟盤驅動器，6.硬盤驅動器，7.鍵盤，8.揚聲器，9.D/A轉換板，10.電磁場刺激器。
圖2是本發明硬件結構示意框圖，其中，C是帶顯示器、軟硬雙驅、鍵盤、揚聲器的微機，圖中1、2、9、10分別是插入主機板擴展槽中的腦電信號放大濾波板、A/D轉換板、D/A轉換板、電磁場刺激器，L電磁線圈。
圖3是本發明的腦電信號放大濾波器電路原理圖，其中，A1-A3.集成運算放大器，R1-R6.電阻，C1-C5.電容，A1、A2與R1-R3、C1-C2等組成的電路是0.5-300Hz帶通放大濾波器，A3與R4-R6、C3-C5組成的電路是50Hz雙T有源陷波器;i、o分別是輸入、輸出端。
圖4是本發明的電磁場刺激器電路原理圖。其中，R7.電阻，Rw可變電阻，C6-C11.電容，L.電磁線圈，LA4422是集成功率放大器，①-⑩為接線腳。
圖5是本發明的計算機軟件總流程圖，其中，11.軟件啟始，12.初始化程序模塊，13.腦電數據采集與分析模塊，14.腦電反饋控制模塊，15.治療時間到？Y.時間到繼續下一程序，N.否則反回至初始化后的程序，16.CRT顯示模塊，17.結束。
圖6是本發明的計算機軟件初始化程序模塊流程圖，其中，18.建立快速傅氏變換所用余弦表，19.建立D/A輸出控制波形表，20.輸入日期，21.輸入患者姓名、年齡、性別及編號，22.根據編號建立檔案文件，23.計算凱澤窗函數。
圖7是本發明的計算機軟件腦電數據采集與分析模塊流程圖，其中，24.設置A/D中斷并啟動A/D中斷，進行腦電信號采樣;25.等待采樣完畢;26.判斷采樣是否完畢？Y.是，繼續下一程序，N.否，繼續等待;27.對采樣數據加凱澤窗處理并進行快速傅氏變換;28.判斷腦電信號分析次數是否達到要求？Y.是，繼續下一程序，N.否返回25繼續等待;29.關采樣中斷;30.計算腦電指標Ia、腦電主峰Fm和腦電相干函數Coh。
圖8是本發明的計算機軟件腦電反饋控制模塊流程圖。其中，31.計算目標函數，I＝Ia+Coh;32.判斷是否為首次腦電控制？Y.是，繼續下一程序33，N.否，繼續下一程序36;33.判斷所采集的腦電信號是否偽差嚴重？Y.是，繼續下一程序34，N.否，繼續下一程序35;34.計算機自動給出一反饋信號頻率范圍;35.根據分析結果計算反饋信號頻率范圍;36.判斷所采集的腦電信號是否偽差嚴重，Y.是，繼續下一程序38，N.否，繼續下一程序37;37.同35;38.同34;39.判斷患者腦電活動指標的好與差，I [K]≥I [K-1]？Y.是，繼續下一程序41，N.否，繼續下一程序40;40.長聲提示;41.進行D/A中斷設置，啟動D/A中斷;42.進行腦電信息反饋治療;43.治療時間到，關D/A中斷。
圖9是本發明的計算機軟件CRT顯示模塊流程圖。其中，44.CRT顯示腦電指標功能菜單;45.鍵入號碼進行選擇;46.判斷是否結束治療？Y.是，轉結束程序17，N.否，繼續下一程序;47.顯示相應腦電指標曲線，顯示完畢回到程序44。
下面結合
對本發明作進一步說明。
腦電信號放大濾波板原理圖見圖3，其任務是接收放大腦電信號。
腦電信號分析及反饋部分由A/D轉換板與微機主機承擔，機上可配置協處理器，進行浮點運算。該部分完成腦電信號分析，反饋治療方案的決策，發出相應的控制信號。
反饋執行部分由D/A轉換板、揚聲器及電磁場刺激器組成。線圈上產生低頻(8～30Hz)弱磁(0～10Gs)信號，線圈置于病人頭部病變部位及相關穴位上。揚聲器用于產生生物反饋提示信號，指導病人主觀努力方向。
治療結果輸出部分，由顯示器(CRT)承擔，輸出腦電反饋控制過程腦電指標曲線。
治療儀的軟件主要由四個功能模塊組成，用C語言及少量匯編語言編寫而成。
下面分別對每個功能模塊進行介紹1.初始化模塊。初始化模塊中DA輸出控制波形表，用于PC機通過DA轉換板產生模擬信號的波形控制，圖形與音樂作為程序開始的提示信息。凱澤子程序用來計算凱澤窗函數，以便在后面進行加窗處理。刺激聲頻率決定揚聲器發聲的頻率。
2.腦電數據采集與分析模塊。由于數據采集采用A/D中斷方式進行，在采樣的間隙，可進行數據分析處理，測量到的腦電信號，經腦電預處理板后，干擾得到了抑制，而不會完全消除。為了減少譜估計中的頻譜泄漏，對采樣得到的腦電數據進行加凱澤窗處理，經快速富里葉變換(FFT)，計算兩道電腦的α指標I、主峰頻率Fm以及在α頻段內的總相干函數。采用多次采樣，然后對分析結果進行迭加，來提高信噪比。
3.腦電實時反饋控制模塊。該功能模塊是整個系統軟件的核心之一，圖8是該模塊的流程圖，腦電反饋控制思想在這部分程序中得以實現，進行腦電反饋控制方案的決策和具體執行。
首先計算目標函數 I＝Ia+Coh其中，Ia為腦電指標(腦電α節律功率/腦電總功率)，Coh為腦電相干函數。
根據目標函數進行判斷、決策，決定反饋控制方式。判斷主要有兩個方面，首先，檢測到的腦電信號是否真實，即偽差嚴重與否。如果偽差嚴重，腦電數據不加采用，予以剔除。其次，受試者入靜如何。如果入靜不好，發長聲提示，以便使病人加以主觀意識調節，盡量減少提示聲的次數。
上述過程完成后，進行D/A中斷設置(包括輸出信號頻率范圍、強度及時間變化)和啟動D/A中斷。治療結束則關D/A中斷。
4.CRT顯示模塊完成屏幕圖形顯示，顯示各種治療過程中腦電指標曲線。
實施例，如圖1-9所示。采用IBM PC/XT主機，加8087協處理器。腦電信號放大濾波器功能為濾除輸入信號中小于0.5Hz、等于50Hz和大于300Hz的干擾信號，并對腦電信號進行放大。A1、A3、LM324及元件R1100KΩ，R2750KΩ，R368KΩ，C1620PF，C2100μF構成0.5Hz～300Hz帶通放大濾波器，A3LM324及元件R472Ω，R520KΩ，R672Ω，C32.2μF，C42.2μF，C54.4μF構成50Hz雙T有源陷波器。采用1232型A/D轉換板和1612型D/A轉換板，顯示器、鍵盤、軟硬雙驅均用現有技術中已有的與主機相配的型號即可。電磁場刺激器原理圖如圖4所示，其中功放LA4422，R710KΩ，Rw200KΩ，C6100μF，C7200μF，C8100μF，C9470μF，C101000μF，C110.15μF，電磁線圈L作成帽式，便于對患者頭部施加磁療。本實施例的軟件程序如圖5-9所示。采樣點256，采樣頻率128Hz，兩道腦電信號取自F3、F4兩個導聯。
本發明經臨床應用研究表明對神經系統腦部疾病如腦血管病、腦萎縮、顱腦外傷(腦震蕩、輕度腦挫傷、腦外傷綜合癥)、偏頭痛、癲癇、面肌痙攣有顯著療效，治療期間未發現副反應。該發明治療腦部疾病具有顯效快、安全、無痛、無副作用、能作用深部神經組織等優點，臨床研究認為該治療儀除治療外還具有預防、保健的功能，廣泛適用于各類醫療保健部門，具有廣闊的推廣應用前景。
權利要求
1.腦電信息反饋腦部疾病治療儀，包括腦電信號采集放大部分、腦電信號分析及反饋部分、反饋及執行部分、治療結果輸出部分，其特征在于，腦電信息采集放大部分是濾除輸入信號中小于0.5Hz、等于50Hz、大于300Hz干擾信號的腦電信號放大濾波器，腦電信號分析及反饋部分由A/D轉換板和帶揚聲器、鍵盤、軟硬雙驅外設的微機主機構成；反饋及執行部分是由D/A轉換板、揚聲器及電磁場刺激器組成；治療結果輸出部分是主機顯示器；以上各線路板均插接于微機主機擴展槽內，電磁場刺激器的電磁線圈置于主機外，直接作用于患者頭部。
2.如權利要求1所述的腦電信息反饋腦部疾病治療儀，其特征在于，腦電信號放大濾波器包括由A1LM324、A2LM324集成運放與元件R1100KΩ、R250KΩ、R368KΩ、C1620PF、C2100μF構成的0.5Hz-300Hz帶通放大濾波器和A3LM324與R472Ω、R520KΩ、R672Ω、C32.3μF、C42.3μF、C54.4μF構成的50Hz雙T有源陷波器。
3.如權利要求1所述的腦電信息反饋腦部疾病治療儀，其特征在于，電磁場刺激器由LA4422集成功率放大器和元件R710KΩ、RW200KΩ、C8100μF、C9200μF、C101000μF、C110.15μF及電磁線圈構成。
4.如權利要求1或3所述的腦電信息反饋腦部疾病治療儀，其特征在于，所說的電磁線圈是帽式電磁線圈。
5.如權利要求1所述的腦電信息反饋腦部疾病治療儀，其特征在于，所說的電磁刺激器其電磁場頻率為8-30Hz、強度0-10GS。
6.一種如權利要求1所說的腦電信息反饋腦部疾病治療儀的工作方法，其特征在于，治療儀工作步驟如下(1)采用額區的腦電信號進行濾波放大，經A/D轉換后輸入微機。(2)微機初使化后進行腦電數據采集與分析，并根據分析結果進行腦電實時反饋;(3)微機輸入信號一部分輸入揚聲器發出提示聲信號。進行生物反饋，另一部分則經D/A轉換后輸入電磁場刺激器調整置于患者頭部的電磁線圈所產生的電磁場強度、頻率及隨時間變化進行磁療;(4)治療完畢，CRT顯示治療過程中腦電指標曲線;(5)結束。
7.如權利要求6所述的工作方法，其特征在于，所說的微機初始化采用如下步驟進行(1)建立快速傅氏變換所用余弦表;(2)建立D/A輸入控制波形表;(3)輸入日期;(4)輸入患者姓名、年齡、性別及編號;(5)根據編號建立檔案文件;(6)計算凱澤窗函數。
8.如權利要求6所述的工作方法，其特征在于，所說的微機腦電數據采集與分析工作步驟如下(1)設置A/D中斷并啟動A/D中斷，進行腦電信號采樣;(2)等待采樣完畢;(3)判斷采樣是否完畢？是，繼續下一程序;否，繼續等待;(4)對采樣數據加凱澤窗處理并進行快速傅氏變換;(5)判斷腦電信號分析次數是否達到要求？是，繼續下一程序;否，返回等待采樣完畢;(6)關采樣中斷;(7)計算腦電指標Ia、腦電主峰頻率Fm和腦電相干函數Coh。
9.如權利要求6所述的工作方法，其特征在于，所說的腦電實時反饋控制按下列程序進行(1)計算目標函數，I＝Ia+Coh;(2)判斷是否為首次電腦控制？①是，繼續判斷所采集的腦電信號是否偽差嚴重？是，則計算機自動給出一頻率范圍，進行下一步;否，則根據分析結果計算反饋信號頻率范圍，進行下一步驟;②否，繼續判斷所采集的腦電信號是否偽差嚴重？是，則計算機自動給出一頻率范圍，進行下一步;否，則根據分析結果計算反饋信號頻率范圍，然后繼續判斷患者的腦電活動指標的好與差？是，則進行下一步，否，則長聲提示，進行下一步;(3)進行D/A中斷設置，啟動D/A中斷;(4)進行腦電信息反饋治療;(5)治療時間到，關D/A中斷。
10.如權利要求6所述的工作方法，其特征在于，所說的CRT顯示包括下列程序(1)CRT顯示腦電指標功能菜單;(2)鍵入號碼進行選擇;(3)判斷是否結束治療？是，結束;否，則繼續下一步;(4)顯示相應腦電指標曲線;(5)顯示完畢返回(1)。
全文摘要
腦電信息反饋腦部疾病治療儀，屬于微機控制電子醫療儀器技術領域。本發明包括腦電信號采集放大、信號分析及反饋、反饋執行和治療結果輸出等部分，主要有腦電信號放大濾波器、A/D轉換板、帶協調器的微機主機及其外設鍵盤、軟硬雙驅、顯示器、揚聲器、D/A轉換板和電磁場刺激器等硬件，以及初始化模塊、腦電數據采集與分析模塊、腦電實時反饋控制模塊、CRT顯示模塊等軟件程序。本發明經臨床應用研究證明對腦部疾病有顯著療效，治療顯效快，安全、無痛、無副作用，可廣泛應用于醫療保健部門。
文檔編號A61N2/04GK1089513SQ9311523
公開日1994年7月20日 申請日期1993年11月24日 優先權日1993年11月24日
發明者周衛東 申請人:山東大學