一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810571695.7 (22)申请日 2018.05.29 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 王珏朱晓琪李尤君郑良 刘天邵碧欣李晨曦徐子薇 徐博亚 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 徐文权 (51)Int.Cl. A61N 1/36(2006.01) (54)发明名称 一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦 点刺激系统和方法 (57)摘要 本发明公开了一种针对神经环路。

2、的经颅无 创深部脑双焦点刺激系统和方法。 其使用接口可 扩展的经颅无创深部脑双焦点刺激装置设定合 适的刺激电流大小比例和频率， 使用贴附头皮的 电极进行刺激， 在特定神经环路的两个靶点深部 脑区产生两个不互相干扰和干涉的刺激焦点， 同 时无创靶向刺激这两个脑区， 激活该神经环路， 辅助大脑实现一定的功能效应， 并且刺激过程中 能够实时监控刺激参数。 本发明具有无创、 深部 靶向双焦点刺激的优点， 能够为无创神经靶向调 控提供技术支持。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 108744273 A 2018.11.06 CN 108744273 A 1.一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦。

3、点刺激系统， 其特征在于， 该系统为接口 可扩展的经颅无创深部脑双焦点刺激装置， 包括依次连接的扩展连接接口、 电池电源、 系统 电源按键、 升压模块、 高压稳压模块和反压模块， 通过低压稳压模块与系统电源按键连接的 微处理器， 与微处理器的输入端连接的分压设置按键和频率设置按键， 以及与微处理器的 输出端连接的系统显示模块、 第一信号发生模块和第二信号发生模块； 第一信号发生模块的输出端分别连接有第一电流调制模块和第二电流调制模块； 第二信号发生模块的输出端分别连接有第三电流调制模块和第四电流调制模块； 高压稳压模块和反压模块的输出端分别与四个电流调制模块相连。 2.根据权利要求1所述的一种。

4、针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 其特 征在于， 升压模块包括升压芯片MAX1044、 二极管D2、 二极管D3、 电容C20和电容C15， 二极管 D2的正极连接升压芯片MAX1044的8脚， 二极管D2的负极连接二极管D3的正极和电容C20的 正极， 二极管D3的负极连接电容C15的正极， 电容C20的负极连接MAX1044的3脚和地， 电容 C15的负极连接MAX1044的2脚， MAX1044的5脚和6脚接地， MAX1044的8脚连接系统电源按键， 其余脚悬空。 3.根据权利要求1所述的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 其特 征在于， 高压稳压模块包括稳压。

5、芯片TL783、 二极管D4、 电容C27和电阻R17和电阻R14， 二极 管D4的正极连接电容C27的正极、 电阻R14的一端和稳压芯片TL783的2脚， 二极管D4的负极 连接稳压芯片TL783的1脚， 电阻R17的一端连接电阻R14的一端和稳压芯片TL783的3脚， 电 阻R17的另一端连接电容C27的负极和地， 稳压芯片TL783的1脚连接电容C20的正极。 4.根据权利要求1所述的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 其特 征在于， 反压模块包括反压芯片ICL7662和电容C28、 电容C29和二极管D5， 电容C28的正极连 接反压芯片ICL7662的2脚， 电容C28。

6、的负极连接反压芯片ICL7662的4脚， 电容C29的正极连 接反压芯片ICL7662的3脚和地， 电容C29的负极连接二极管D5的正极和负极， 二极管D5的负 极连接反压芯片ICL7662的5脚， 反压芯片ICL7662的8脚连接稳压芯片TL783的2脚。 5.根据权利要求1所述的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 其特 征在于， 每一个电流调制模块均包括依次连接去直流模块、 分压模块、 恒流模块和电极输出 接口， 信号发生模块的输出端连接至去直流模块的输入端， 高压稳压模块和反压模块的输 出端分别连接在每个恒流模块的电源输入端。 6.根据权利要求5所述的一种针对神经环路的经颅。

7、无创深部脑双焦点刺激系统， 其特 征在于， 恒流模块包括运算放大器U1:A、 运算放大器U1:B、 电阻R1至R5， 电压输入连接电阻 R1的一端， 电阻R1的另一端分别连接至电阻R4的一端和运算放大器U1:A正输入端， 电阻R2 的一端连接运算放大器U1:A的负输入端和电阻R3的一端， 电阻R2的另一端运算放大器U1:A 的输出端和电阻R5的一端， 电阻R3的另一端接地， 电阻R4的另一端连接运算放大器U1:B的 输出端和负输入端， 电阻R5的另一端分别连接运算放大器U1:B的正输入端和电机输出接 口。 7.一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激方法， 其特征在于， 该方法基于权 利要求。

8、1至6中任一项所述的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 包括以 下步骤： 1)建立个性化头模型刺激仿真系统； 权利要求书 1/2 页 2 CN 108744273 A 2 2)连接2块接口可扩展的经颅无创深部脑双焦点刺激装置的扩展连接接口和供电电 池， 构建经颅无创深部脑双焦点刺激装置； 3)根据仿真结果确定优化的刺激参数， 1号刺激装置输出为： 第一电流调制模块连接的 电极输出接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出1.6mA/1KHz， 第 三电流调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出接口输出电流 分别输出0.4mA/1.01KHz； 2号。

9、刺激装置输出为： 第一电流调制模块连接的电极输出接口和 第二电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出1.6mA/10KHz， 第三电流调制模 块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出 0.4mA/10.01KHz； 其中1号刺激装置的第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电流 调制模块连接的电极输出接口与2号刺激装置的第三电流调制模块连接的电极输出接口和 第四电流调制模块连接的电极输出接口连接在大脑的同侧； 同时， 保持上述电流频率不变， 调整第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口输 出电流与第三电流调制模块连接的电极输出。

10、接口和第四电流调制模块连接的电极输出接 口输出电流的比例， 调整刺激靶点的不同位置， 且要2块装置的输出电流比例同时调整且一 致； 4)闭合系统电源按键， 系统启动后， 初始化微处理器MCU以及刺激电路； 5)连接刺激电极与电极输出接口， 并选择刺激部位； 6)粘贴刺激电极于头皮选定的刺激部位； 7)根据仿真结果设定， 刺激电流幅值和频率， 点击按键写入刺激信号； 8)系统开始刺激， 并通过A/D转换模块和计时模块采集数据， 将刺激电流幅值、 刺激电 流频率、 负载阻抗、 刺激时间显示在系统显示屏上， 到达刺激时间后刺激结束。 权利要求书 2/2 页 3 CN 108744273 A 3 一种。

11、针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统和方法 技术领域 0001 本发明属于医疗器械领域， 具体涉及一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点 刺激系统和方法。 背景技术 0002 在脑功能网络中多个脑区形成的工作环路中多个脑区需要同时协同工作才能产 生一定的功能效应， 比如皮质-丘脑-皮质环路辅助脑卒中后皮层功能重组。 所以， 同时靶向 刺激多个脑区激活特定的神经环路对于大脑实现一定的功能效应具有重要意义。 0003 而目前的神经电刺激技术主要存在诸多限制， 如经颅直流电刺激(tDCS)和经颅交 流电刺激(tACS)只能够实现弥散性刺激， 同时刺激整个大脑， 没有倾向性和靶向性。 植入式 的。

12、深部脑刺激存在手术风险， 并且植入电极对于患者的认知等脑功能存在负面影响。 0004 无创深部脑刺激技术是一种通过经颅电极介导2导(4通道)高频的差频(f)正弦 刺激电流在深部脑干涉产生低频包络刺激电场， 以达到刺激深部脑的技术。 由于神经细胞 的高频不响应性， 高频刺激电流经由大脑皮层时并未产生刺激效应， 只有深部脑处的干涉 低频包络刺激电场产生刺激效应， 从而使用无创经颅方法达到刺激深部脑的功能。 0005 现有专利提供的深部脑刺激均为有创植入式刺激， 为临床应用带来了较大不便。 如专利号为201080033903.X的专利文件介绍的深部脑刺激装置， 需要将刺激电极植入到患 者脑中才到能够。

13、实现深部刺激， 存在有创的缺点。 关于无创深部脑刺激的研究为单焦点的 靶向刺激， 针对同时靶向激活双(多)目标脑区实现双(多)焦点的无创深部脑刺激尚未有研 究。 发明内容 0006 本发明的目的在于一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统和方法， 用于实现经颅无创深部脑靶向双焦点同时刺激。 通过经颅电流在脑深部干涉产生两个刺激 焦点， 同时靶向刺激激活特定的神经环路中的两个深部脑区， 辅助大脑实现一定的功能效 应。 0007 本发明采用如下技术方案来实现的： 0008 一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 该系统为接口可扩展的经 颅无创深部脑双焦点刺激装置， 包括依次连接的扩。

14、展连接接口、 电池电源、 系统电源按键、 升压模块、 高压稳压模块和反压模块， 通过低压稳压模块与系统电源按键连接的微处理器， 与微处理器的输入端连接的分压设置按键和频率设置按键， 以及与微处理器的输出端连接 的系统显示模块、 第一信号发生模块和第二信号发生模块； 0009 第一信号发生模块的输出端分别连接有第一电流调制模块和第二电流调制模块； 0010 第二信号发生模块的输出端分别连接有第三电流调制模块和第四电流调制模块； 0011 高压稳压模块和反压模块的输出端分别与四个电流调制模块相连。 0012 本发明进一步的改进在于， 升压模块包括升压芯片MAX1044、 二极管D2、 二极管D3、。

15、 说明书 1/5 页 4 CN 108744273 A 4 电容C20和电容C15， 二极管D2的正极连接升压芯片MAX1044的8脚， 二极管D2的负极连接二 极管D3的正极和电容C20的正极， 二极管D3的负极连接电容C15的正极， 电容C20的负极连接 MAX1044的3脚和地， 电容C15的负极连接MAX1044的2脚， MAX1044的5脚和6脚接地， MAX1044 的8脚连接系统电源按键， 其余脚悬空。 0013 本发明进一步的改进在于， 高压稳压模块包括稳压芯片TL783、 二极管D4、 电容C27 和电阻R17和电阻R14， 二极管D4的正极连接电容C27的正极、 电阻R14。

16、的一端和稳压芯片 TL783的2脚， 二极管D4的负极连接稳压芯片TL783的1脚， 电阻R17的一端连接电阻R14的一 端和稳压芯片TL783的3脚， 电阻R17的另一端连接电容C27的负极和地， 稳压芯片TL783的1 脚连接电容C20的正极。 0014 本发明进一步的改进在于， 反压模块包括反压芯片ICL7662和电容C28、 电容C29和 二极管D5， 电容C28的正极连接反压芯片ICL7662的2脚， 电容C28的负极连接反压芯片 ICL7662的4脚， 电容C29的正极连接反压芯片ICL7662的3脚和地， 电容C29的负极连接二极 管D5的正极和负极， 二极管D5的负极连接反压芯。

17、片ICL7662的5脚， 反压芯片ICL7662的8脚 连接稳压芯片TL783的2脚。 0015 本发明进一步的改进在于， 每一个电流调制模块均包括依次连接去直流模块、 分 压模块、 恒流模块和电极输出接口， 信号发生模块的输出端连接至去直流模块的输入端， 高 压稳压模块和反压模块的输出端分别连接在每个恒流模块的电源输入端。 0016 本发明进一步的改进在于， 恒流模块包括运算放大器U1:A、 运算放大器U1:B、 电阻 R1至R5， 电压输入连接电阻R1的一端， 电阻R1的另一端分别连接至电阻R4的一端和运算放 大器U1:A正输入端， 电阻R2的一端连接运算放大器U1:A的负输入端和电阻R3。

18、的一端， 电阻 R2的另一端运算放大器U1:A的输出端和电阻R5的一端， 电阻R3的另一端接地， 电阻R4的另 一端连接运算放大器U1:B的输出端和负输入端， 电阻R5的另一端分别连接运算放大器U1:B 的正输入端和电机输出接口。 0017 一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激方法， 该方法基于上述一种针对 神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 包括以下步骤： 0018 1)建立个性化头模型刺激仿真系统； 0019 2)连接2块接口可扩展的经颅无创深部脑双焦点刺激装置的扩展连接接口和供电 电池， 构建经颅无创深部脑双焦点刺激装置； 0020 3)根据仿真结果确定优化的刺激参数， 1号。

19、刺激装置输出为： 第一电流调制模块连 接的电极输出接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出1.6mA/ 1KHz， 第三电流调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出接口输 出电流分别输出0.4mA/1.01KHz； 2号刺激装置输出为： 第一电流调制模块连接的电极输出 接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出1.6mA/10KHz， 第三电流 调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输 出0.4mA/10.01KHz； 其中1号刺激装置的第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电 流调制模块连接的电极输出接口与。

20、2号刺激装置的第三电流调制模块连接的电极输出接口 和第四电流调制模块连接的电极输出接口连接在大脑的同侧； 同时， 保持上述电流频率不 变， 调整第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口 输出电流与第三电流调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出 说明书 2/5 页 5 CN 108744273 A 5 接口输出电流的比例， 调整刺激靶点的不同位置， 且要2块装置的输出电流比例同时调整且 一致； 0021 4)闭合系统电源按键， 系统启动后， 初始化微处理器MCU以及刺激电路； 0022 5)连接刺激电极与电极输出接口， 并选择刺激部位； 0023。

21、 6)粘贴刺激电极于头皮选定的刺激部位； 0024 7)根据仿真结果设定， 刺激电流幅值和频率， 点击按键写入刺激信号； 0025 8)系统开始刺激， 并通过A/D转换模块和计时模块采集数据， 将刺激电流幅值、 刺 激电流频率、 负载阻抗、 刺激时间显示在系统显示屏上， 到达刺激时间后刺激结束。 0026 本发明具有如下有益的技术效果： 0027 本发明提供的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激系统， 能够通过整 机工作实现输出双焦点刺激所需要的电流形式。 第一电流调制模块至第四电流调制模块分 别连接电极输出接口输出刺激电流， 其中第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电 流调制模块连。

22、接的电极输出接口输出相同频率和幅值相反相位的正弦刺激电流， 第三电流 调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出接口输出相同频率和 幅值相反相位的正弦刺激电流， 所有的电流频率、 相位和幅值都可以通过分压设置按键和 频率设置按键进行设置。 0028 本发明提供的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激方法， 通过贴敷于 头皮的4个电极分别添加2导刺激电流共8导刺激电流， 每2导刺激电流产生1导刺激通路， 共 产生4导刺激通路。 每2导刺激通路产生一个干涉焦点， 共产生2个刺激焦点。 0029 根据优化的刺激参数设置刺激电流大小比例， 一般可以设置为1:1-1:6， 刺激电流 。

23、大小差别越大， 刺激焦点越靠近边缘， 反之则靠近中心。 互相干涉产生焦点的2导刺激通路 的幅值大小比例决定了靶点所在的位置， 调整电流大小， 使得刺激焦点落在靶点脑区。 0030 根据优化的刺激参数设置刺激电流频率。 在刺激过程中， 互相干涉产生焦点的2导 刺激通路之间的频率差(f)要一致， 避免干涉的焦点之间因为频率差再产生干涉而影响 刺激焦点之间的独立性。 从而产生经颅无创深部脑双焦点刺激。 附图说明 0031 图1为本发明的原理示意图； 0032 图2为本发明的装置电路结构示意图； 0033 图3为本发明的装置电路外观示意图； 0034 图4为本发明的装置升压模块电路图； 0035 图5。

24、为本发明的装置高压稳压模块电路图； 0036 图6为本发明的装置反压模块电路图； 0037 图7为本发明的装置恒流模块电路图； 0038 图8为本发明的操作流程。 0039 其中， 1-系统显示屏； 2-参数设置按键； 3-系统电源按键； 4-电极输出接口， 5-扩展 连接接口。 具体实施方式 说明书 3/5 页 6 CN 108744273 A 6 0040 下面结合附图， 对本发明的具体工作及原理作进一步详细描述。 0041 根据真实头模型的仿真系统的仿真结果， 得到优化的刺激参数。 0042 参见图1， 贴敷于头皮的4个电极分别添加2导刺激电流共8导刺激电流， 每2导刺激 电流产生1导刺。

25、激通路， 如图共产生4导刺激通路。 每2导刺激通路产生一个干涉焦点， 如图 共产生2个刺激焦点。 0043 根据优化的刺激参数设置刺激电流大小比例， 一般可以设置为1:1-1:6， 刺激电流 大小差别越大， 刺激焦点越靠近边缘， 反之则靠近中心。 互相干涉产生焦点的2导刺激通路 的幅值大小比例决定了靶点所在的位置， 调整电流大小， 使得刺激焦点落在靶点脑区。 0044 根据优化的刺激参数设置刺激电流频率。 在刺激过程中， 互相干涉产生焦点的2导 刺激通路之间的频率差(f)要一致， 避免干涉的焦点之间因为频率差再产生干涉而影响 刺激焦点之间的独立性。 从而产生经颅无创深部脑双焦点刺激。 0045。

26、 参见图2， 本装置由9V镍氢可充电电池供电， 通过稳压模块供电给微控制器MCU， A/ D转换模块计算装置的电流幅值以及负载电阻， 微控制器MCU外接的分压设置按键设置电流 幅值， 频率设置按键设置电流频率。 系统显示模块显示刺激过程中的电流幅值、 频率、 负载 阻抗以及刺激时间。 微控制器MCU通过通信接口将刺激信息写入到信号发生模块， 信号发生 模块为刺激电路刺激信号源， 经过去直流模块、 分压模块、 恒流模块最终输出到电极输出接 口。 供电电池电压通过升压模块、 稳压模块、 反压模块为刺激电路提供正负供电源。 0046 参见图3， 连接扩展连接接口， 点击系统电源按键3， 通过参数设置。

27、按键2设置刺激 参数， 连接刺激电极到电极输出接口4， 开始刺激， 系统显示屏1显示装置测刺激电流幅值、 频率、 负载阻抗以及刺激时间。 扩展连接接口5用以实现多个装置之间连接形成一套整体刺 激系统。 0047 参见图4， 升压模块包括升压芯片MAX1044、 二极管D2、 二极管D3、 电容C20和电容 C15， 二极管D2的正极连接升压芯片MAX1044的8脚， 二极管D2的负极连接二极管D3的正极和 电容C20的正极， 二极管D3的负极连接电容C15的正极， 电容C20的负极连接MAX1044的3脚和 地， 电容C15的负极连接MAX1044的2脚， MAX1044的5脚和6脚接地， M。

28、AX1044的8脚连接系统电 源按键， 其余脚悬空。 0048 参见图5， 高压稳压模块包括稳压芯片TL783、 二极管D4、 电容C27和电阻R17和电阻 R14， 二极管D4的正极连接电容C27的正极、 电阻R14的一端和稳压芯片TL783的2脚， 二极管 D4的负极连接稳压芯片TL783的1脚， 电阻R17的一端连接电阻R14的一端和稳压芯片TL783 的3脚， 电阻R17的另一端连接电容C27的负极和地， 稳压芯片TL783的1脚连接电容C20的正 极。 0049 参见图6， 反压模块包括反压芯片ICL7662和电容C28、 电容C29和二极管D5， 电容 C28的正极连接反压芯片IC。

29、L7662的2脚， 电容C28的负极连接反压芯片ICL7662的4脚， 电容 C29的正极连接反压芯片ICL7662的3脚和地， 电容C29的负极连接二极管D5的正极和负极， 二极管D5的负极连接反压芯片ICL7662的5脚， 反压芯片ICL7662的8脚连接稳压芯片TL783 的2脚。 0050 参见图7， 恒流模块包括高电压高频率运放芯片， 电压输入经由电阻R1流入运放芯 片的3脚， 1脚连接电阻R5和电阻R2的一端， 2脚连接电阻R2和电阻R3的一端， 3脚连接电阻R1 和电阻R4的一端， 4脚连接负供电源， 5脚连接电阻R5的一端并作为恒流电流输出端， 7脚连 说明书 4/5 页 7 。

30、CN 108744273 A 7 接R4的一端以及6脚， 8脚连接正供电源。 0051 参见图8， 本发明提供的一种针对神经环路的经颅无创深部脑双焦点刺激方法， 包 括以下步骤： 0052 1)建立个性化头模型刺激仿真系统； 0053 2)连接2块接口可扩展的经颅无创深部脑双焦点刺激装置的扩展连接接口和供电 电池， 构建经颅无创深部脑双焦点刺激装置； 0054 3)根据仿真结果确定优化的刺激参数， 1号刺激装置输出为： 第一电流调制模块连 接的电极输出接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出1.6mA/ 1KHz， 第三电流调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极。

31、输出接口输 出电流分别输出0.4mA/1.01KHz； 2号刺激装置输出为： 第一电流调制模块连接的电极输出 接口和第二电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输出1.6mA/10KHz， 第三电流 调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出接口输出电流分别输 出0.4mA/10.01KHz； 其中1号刺激装置的第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电 流调制模块连接的电极输出接口与2号刺激装置的第三电流调制模块连接的电极输出接口 和第四电流调制模块连接的电极输出接口连接在大脑的同侧； 同时， 保持上述电流频率不 变， 调整第一电流调制模块连接的电极输出接口和第二电流调制模。

32、块连接的电极输出接口 输出电流与第三电流调制模块连接的电极输出接口和第四电流调制模块连接的电极输出 接口输出电流的比例， 调整刺激靶点的不同位置， 且要2块装置的输出电流比例同时调整且 一致； 0055 4)闭合系统电源按键， 系统启动后， 初始化微处理器MCU以及刺激电路； 0056 5)连接刺激电极与电极输出接口， 并选择刺激部位； 0057 6)粘贴刺激电极于头皮选定的刺激部位； 0058 7)根据仿真结果设定， 刺激电流幅值和频率， 点击按键写入刺激信号； 0059 8)系统开始刺激， 并通过A/D转换模块和计时模块采集数据， 将刺激电流幅值、 刺 激电流频率、 负载阻抗、 刺激时间显示在系统显示屏上， 到达刺激时间后刺激结束。 说明书 5/5 页 8 CN 108744273 A 8 图1 图2 说明书附图 1/4 页 9 CN 108744273 A 9 图3 图4 图5 说明书附图 2/4 页 10 CN 108744273 A 10 图6 图7 说明书附图 3/4 页 11 CN 108744273 A 11 图8 说明书附图 4/4 页 12 CN 108744273 A 12 。