一種腦電信號控制的經顱磁刺激系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于康復醫療器械領域，涉及一種用腦電信號控制的經顱磁刺激系統。
【背景技術】
[0002] 疲勞是人們在康復訓練甚至日常生活中常見的現象，主要表現為體力和腦力活動 后過早出現的精疲力竭，難以啟動或者維持主動運動，患者可能需要花費更大的力氣來完 成在發病之前輕易完成的活動。在基于任務的肢體康復訓練中，由于患者存在不同程度的 疲勞感，影響了訓練的耐受性和持久性，因而消除或者緩解疲勞對于康復醫學具有重要意 義。
[0003] 磁刺激技術由于其無創和無痛已被廣泛應用于神經疾病治療和腦功能研宄中。目 前，常用的經顏磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS)是利用時變電流流入 線圈，產生高強度的時變脈沖磁場，從而在生物組織中產生感應電場和感生電流，使組織產 生興奮。由于利用的是l-3Tesla的強磁場，對于儀器設備的要求很高，而且需要專業人士 操作，TMS -般在醫院中使用，由于存在潛在的誘發癲癇的風險，出于安全性考慮，刺激時間 一般不宜過長。
[0004] 極低頻磁場也被用于經顱磁刺激，極低頻磁場是指磁場頻率為幾 Hz到幾十Hz的 低頻磁場，其產生的磁場強度一般為幾十mT。由于磁場強度較低，在臨床診斷和治療中可以 長時間使用，一般的刺激時間為幾十分鐘到一個小時，治療療程為一周或者兩周。低頻弱磁 場可用于家庭和社區的康復治療中。
[0005] 現有的刺激系統多是根據醫生經驗選擇相關刺激參數，如刺激波形、刺激強度、刺 激頻率和電極線圈的放置位置，不能對刺激效果定量化，并根據量化結果進行動態調節。經 驗性的參數設置與傳統的刺激模式難以滿足個性化的治療需求，容易導致過量刺激或刺激 不足，不能達到有效的或最佳治療效果。個體化的治療模式具有迫切的市場需求和重要研 宄意義。
【發明內容】
[0006] 為了解決上述問題，本發明提供了一種腦電信號控制的經顱磁刺激系統及方法， 利用使用者自身腦電信號來設定個性化的刺激參數，興奮大腦皮層，提高中樞系統對肌肉 運動的驅動能力，緩解疲勞感。
[0007] 為達到上述目的，本發明提供的一種腦電信號控制的經顱磁刺激系統，其特征在 于，依次包括腦電信號采集模塊、ARM處理器、LCD觸摸屏、功率放大器和刺激線圈，LCD觸摸 屏連接到ARM處理器；所述的腦電信號采集模塊包括腦電放大模塊和A/D轉換器；所述的 ARM處理器包括腦電信號分析模塊和刺激信號產生模塊；所述的LCD觸摸屏包括顯示模塊 和按鍵模塊；所述的刺激線圈為8字形線圈；
[0008] 所述的腦電信號采集模塊包括腦電放大模塊和A/D轉換器，用于采集大腦皮層運 動區在運動開始30s和運動結束前30s的腦電信號，通過腦電放大模塊和A/D轉換器后送 入ARM微處理器進行處理。
[0009] 所述的ARM處理器包括腦電信號分析模塊和刺激信號產生模塊，所述的腦電信號 分析模塊，用于對腦電信號進行預處理，計算alpha，beta頻段能量，提供磁刺激輸出的參 考信號；所述的刺激信號產生模塊，用于根據設定的刺激參數，生成刺激信號，進行D/A轉 換并輸出。
[0010] 所述的腦電信號分析模塊的工作方法，包括：
[0011] 步驟1，利用帶通濾波器提取alpha (8?12Hz)和beta (13?30Hz)頻段的腦電信 號，對腦電幅值求平方再取平均作為腦電信號能量，比較本次運動前后alpha和beta頻段 能量的下降趨勢，即計算運動結束前30s的腦電alpha和beta頻段能量與運動開始30s的 腦電alpha和beta頻段能量的百分比PERa和PERb，取per = min [PERa, PERb];
[0012] 步驟2,根據per計算刺激頻率、刺激強度和刺激持續時間等參數的參考值，設某 種調節參數的步長為ss，可調檔位數為d，調節因子為n，那么這種調節參數的參考值為
【主權項】
1. 一種腦電信號控制的經顧磁刺激系統，其特征在于，依次包括腦電信號采集模塊、 ARM處理器、LCD觸摸屏、功率放大器和刺激線圈，LCD觸摸屏連接到ARM處理器；所述的腦 電信號采集模塊包括腦電放大模塊和A/D轉換器；所述的ARM處理器包括腦電信號分析模 塊和刺激信號產生模塊；所述的LCD觸摸屏包括顯示模塊和按鍵模塊；所述的刺激線圈為8 字形線圈； 所述的8字形線圈，采用多層繞法，由兩個內部半徑為2cm，外部半徑為2. 6cm的圓形線 圈組成，采用直徑為0. 35mm的漆包銅導線繞制；磁場聚焦范圍為0. 25cm2,磁場空間分辨率 為5mm，刺激深度為1. 5-2畑1。
2. 如權利要求1所述的腦電信號控制的經顧磁刺激系統，其特征在于，刺激信號采用 連續性叢刺激方式，每個脈沖叢由3個頻率為50化的單脈沖組成，叢刺激的頻率、刺激強度 與刺激持續時間可調；頻率的最小檔位為甜Z，最大檔位為12化，調節步長為IHz，檔位數為 8 ;，磁場強度的最小檔位為5mT，最大檔位為20mT，調節步長為5mT，檔位數為4 ;刺激持續 時間的最小檔位為20min，最大檔位為60min，調節步長為lOmin，檔位數為5。
3. 應用如權利要求1或2所述的腦電信號控制的經顧磁刺激系統，其特征在于，步驟包 括： 步驟1，利用帶通濾波器提取alpha巧?12Hz)和beta(13?30Hz)頻段的腦電信號， 對腦電幅值求平方再取平均作為腦電信號能量，比較本次運動前后alpha和beta頻段能量 的下降趨勢，即計算運動結束前30s的腦電alpha和beta頻段能量與運動開始30s的腦電 alpha和beta頻段能量的百分比陽Ra和陽化，取per = min [陽Ra,陽化]; 步驟2,根據per計算刺激頻率、刺激強度和刺激持續時間等參數的參考值，設某種調 節參數的步長為SS，可調檔位數為d，調節因子為n，那么該種調節參數的參考值為
其中，Smi。是指該種調節參數設定的最小檔位，S 是指該種調節參數設定的最大檔位， 調節因子n是關于per的函數，計算方法如下
式中的CEILINGQ為向上取整函數。
【專利摘要】本發明提供了一種腦電信號控制的經顱磁刺激系統及方法。所述的經顱磁刺激系統包括腦電信號采集模塊、ARM處理器、LCD觸摸屏、功率放大器和刺激線圈，ARM處理器包括腦電信號分析模塊和刺激信號產生模塊，LCD觸摸屏包括顯示模塊和按鍵模塊。該系統的工作方法為：腦電信號采集模塊獲取大腦皮層對應運動區在運動開始30s和運動結束前30s的腦電信號，利用腦電信號分析模塊，進行帶通濾波提取alpha和beta頻段信號，計算此次運動前后腦電信號能量的下降幅度，據此給出一組刺激參數；刺激信號產生模塊，根據設定的刺激參數產生刺激信號，經過D/A轉換輸出，再通過功率放大器驅動刺激線圈，對大腦皮層運動區進行磁刺激，從而到達緩解疲勞的目的。
【IPC分類】A61N2-04, A61B5-0476
【公開號】CN104587606
【申請號】CN201510013338
【發明人】郝冬梅, 周亞男, 曹镠, 榮瑤, 賓光宇, 張松, 楊益民, 楊琳
【申請人】北京工業大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月11日