结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统.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 202010744174.4 (22)申请日 2020.07.29 (71)申请人 中国医学科学院生物医学工程研究 所 地址 300192 天津市南开区白堤路236号 (72)发明人 王欣刘志朋殷涛靳静娜 马任 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 杜文茹 (51)Int.Cl. A61N 2/04(2006.01) A61B 5/04(2006.01) A61B 5/0476(2006.01) (54)发明名称 一种结合预设频率和生物电反。

2、馈的变频磁 刺激系统 (57)摘要 一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁 刺激系统， 有相连接的用于采集生物体神经电信 号的神经电信号采集模块和用于提取神经电信 号主频序列的频率提取模块， 相连接的磁刺激器 主机和用于向生物体输出磁刺激的线圈， 以及反 馈控制模块和用于预先设定磁刺激重复频率的 频率预设模块， 频率预设模块的输出分别连接磁 刺激器主机和反馈控制模块的输入端， 反馈控制 模块的输入端还连接频率提取模块的输出端， 反 馈控制模块的输出端连接磁刺激器主机的输入 端， 用于向磁刺激器主机输入结合预设的磁刺激 重复频率和神经电信号主频序列产生的频率控 制信号， 磁刺激器主机的输入端还连接。

3、有刺激强 度和脉冲个数设置模块。 本发明能更加有效地调 控神经元活动。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 111840803 A 2020.10.30 CN 111840803 A 1.一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 其特征在于， 包括有： 相连接的 用于采集生物体(1)神经电信号的神经电信号采集模块(2)和用于提取神经电信号主频序 列的频率提取模块(3)， 以及相连接的磁刺激器主机(6)和用于向生物体(1)输出磁刺激的 线圈(7)， 还设置有反馈控制模块(4)和用于预先设定磁刺激重复频率的频率预设模块(5)， 其中， 所述频率预设模块(5)的输出分别连接磁刺激器主机。

4、(6)和反馈控制模块(4)的输入 端， 所述反馈控制模块(4)的输入端还连接频率提取模块(3)的输出端， 所述反馈控制模块 (4)的输出端连接磁刺激器主机(6)的输入端， 用于向磁刺激器主机(6)输入结合预设的磁 刺激重复频率和神经电信号主频序列产生的频率控制信号， 所述磁刺激器主机(6)的输入 端还连接有刺激强度和脉冲个数设置模块(8)。 2.根据权利要求1所述的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 其特征 在于， 所述的频率预设模块(5)， 是由第一可编程控制器构成， 具有三种工作模式： 分别为用 于预设固定的重复频率f1(t)F0、 预设随线性函数变化的重复频率f2(t)k*t。

5、以及预设随 阶梯函数变化的重复频率f3(t)F1,F2,F3,， 其中， F0为固定重复频率， k为频率变化速 率， k0， F1,F2,F3,为阶梯重复频率， 所述的频率预设模块(5)运行如下步骤： (5.1)设置刺激序列总时长为h， 共有n个刺激段， n2， 每个刺激段时长为m， mh/n； (5.2)设定预设频率序列为Xx0,x1,.xn， 作为磁刺激的重复频率序列， 对于第一 种工作模式， 预设频率序列XF0,F0,F0， 对于第二种工作模式， 预设频率序列Xf2 (m),f2(2*m),f2(n*m)， 对于第三种工作模式， 预设频率序列XF1,F2,Fn； (5.3)将重复频率序列。

6、X和每个刺激段时长m输出至磁刺激器主机(6)。 3.根据权利要求1所述的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 其特征 在于， 所述的频率提取模块(3)是由第二可编程控制器构成， 用于将采集到的神经电信号进 行分段， 将各段神经电信号进行傅里叶变换， 得到各段神经电信号的频谱曲线， 提取频谱曲 线中能量最大值对应的频率， 得到生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列， 记为Y y0,y1,.yn。 4.根据权利要求1所述的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 其特征 在于， 所述的反馈控制模块(4)是由第三可编程控制器构成， 用于结合预设频率和神经电信 号主频序列给出反馈频率序。

7、列， 包括完成如下步骤： (4.1)计算预设频率序列X和生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列Y的差值平方 根； (4.2)判断预设频率序列X和生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列Y的差值平方 根是否小于1Hz， 是， 则计算得出反馈频率序列F(X+Y)/2， 并将反馈频率序列F输出至磁刺 激器主机(6)后， 继续接收频率提取模块(3)和频率预设模块(5)的信号， 并返回步骤(4.1)； 否则， 不输出反馈频率序列F， 停止磁刺激。 5.根据权利要求2所述的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 其特征 在于， 所述的频率预设模块(5)所预设的基于生物体神经电信号时频特征的时变重复频。

8、率， 是除生物体(1)磁刺激靶点以外的其他位置处的神经电信号频率， 或其他生物体的神经电 信号频率。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111840803 A 2 一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统 技术领域 0001 本发明涉及一种变频磁刺激系统。 特别是涉及一种结合预设频率和生物电反馈的 变频磁刺激系统。 背景技术 0002 重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation， rTMS)是一 种脑刺激技术， 广泛应用于脑功能、 脑网络及脑回路等研究。 0003 重复频率是rTMS脑研究的重要参数。 通常认为， 高频rTMS用。

9、于易化皮层兴奋性， 低 频rTMS用于抑制皮层兴奋性。 在实际研究中， 通常是根据观察刺激效果或者已有文献中的 研究结果， 给定一个预设频率进行重复刺激。 脑神经节律的振荡频率通常为1-100Hz， 通常， 预设频率下的重复刺激只能与特定频段的神经振荡形成共振， 不能与刺激靶点处的神经振 荡形成全面的共振。 脑功能通常是由多个节律的振荡共同形成的。 因此， 在进行经颅磁刺激 脑功能研究时， 采用预设频率的重复刺激未考虑刺激靶点处本身的神经振荡， 并不能完全 与脑功能相关的刺激靶点处所有神经振荡形成共振， 刺激效果具有一定局限性。 0004 因此， 已有预设频率重复磁刺激不能与刺激靶点处的神经振。

10、荡形成全面共振。 本 发明提出结合预设频率和生物电反馈的磁刺激装置及方法。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题是， 提供一种能够与靶点处神经振荡形成更贴合的共 振， 能更加有效地调控神经元活动的结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统。 0006 本发明所采用的技术方案是： 一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系 统， 包括有： 相连接的用于采集生物体神经电信号的神经电信号采集模块和用于提取神经 电信号主频序列的频率提取模块， 以及相连接的磁刺激器主机和用于向生物体输出磁刺激 的线圈， 还设置有反馈控制模块和用于预先设定磁刺激重复频率的频率预设模块， 其中， 所 述频率预设模块的。

11、输出分别连接磁刺激器主机和反馈控制模块的输入端， 所述反馈控制模 块的输入端还连接频率提取模块的输出端， 所述反馈控制模块的输出端连接磁刺激器主机 的输入端， 用于向磁刺激器主机输入结合预设的磁刺激重复频率和神经电信号主频序列产 生的频率控制信号， 所述磁刺激器主机的输入端还连接有刺激强度和脉冲个数设置模块。 0007 所述的频率预设模块， 是由第一可编程控制器构成， 具有三种工作模式： 分别为用 于预设固定的重复频率f1(t)F0、 预设随线性函数变化的重复频率f2(t)k*t以及预设随 阶梯函数变化的重复频率f3(t)F1,F2,F3,， 其中， F0为固定重复频率， k为频率变化速 率，。

12、 k0， F1,F2,F3,为阶梯重复频率， 所述的频率预设模块运行如下步骤： 0008 (5.1)设置刺激序列总时长为h， 共有n个刺激段， n2， 每个刺激段时长为m， mh/ n； 0009 (5.2)设定预设频率序列为Xx0,x1,.xn， 作为磁刺激的重复频率序列， 对于 第一种工作模式， 预设频率序列XF0,F0,F0， 对于第二种工作模式， 预设频率序列X 说明书 1/4 页 3 CN 111840803 A 3 f2(m),f2(2*m),f2(n*m)， 对于第三种工作模式， 预设频率序列XF1,F2,Fn； 0010 (5.3)将重复频率序列X和每个刺激段时长m输出至磁刺激。

13、器主机。 0011 所述的频率提取模块是由第二可编程控制器构成， 用于将采集到的神经电信号进 行分段， 将各段神经电信号进行傅里叶变换， 得到各段神经电信号的频谱曲线， 提取频谱曲 线中能量最大值对应的频率， 得到生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列， 记为Y y0,y1,.yn。 0012 所述的反馈控制模块是由第三可编程控制器构成， 用于结合预设频率和神经电信 号主频序列给出反馈频率序列， 包括完成如下步骤： 0013 (4.1)计算预设频率序列X和生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列Y的差值 平方根； 0014 (4.2)判断预设频率序列X和生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列Y的。

14、差值 平方根是否小于1Hz， 是， 则计算得出反馈频率序列F(X+Y)/2， 并将反馈频率序列F输出至 磁刺激器主机后， 继续接收频率提取模块和频率预设模块的信号， 并返回步骤(4.1)； 否则， 不输出反馈频率序列F， 停止磁刺激。 0015 所述的频率预设模块所预设的基于生物体神经电信号时频特征的时变重复频率， 是除生物体磁刺激靶点以外的其他位置处的神经电信号频率， 或其他生物体的神经电信号 频率。 0016 本发明的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 将刺激靶点处的神 经电信号主频用于反馈调控预设频率， 形成结合预设频率和生物电反馈的重复频率， 进行 磁刺激作用于靶点处， 能。

15、够与靶点处神经振荡形成更贴合的共振， 能更加有效地调控神经 元活动， 为rTMS重复频率的设置提供新的方案， 为rTMS用于脑刺激提供新的思路。 附图说明 0017 图1是本发明一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统的构成框图； 0018 图2是本发明中反馈控制模块的工作模式。 0019 图中 0020 1： 生物体 2： 神经电信号采集模块 0021 3： 频率提取模块 4： 反馈控制模块 0022 5： 频率预设模块 6： 磁刺激器主机 0023 7： 线圈 8： 刺激强度和脉冲个数设置模块 具体实施方式 0024 下面结合实施例和附图对本发明的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺。

16、 激系统做出详细说明。 0025 如图1所示， 本发明的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统， 包括 有： 相连接的用于采集生物体1神经电信号的神经电信号采集模块2和用于提取神经电信号 主频序列的频率提取模块3， 以及相连接的磁刺激器主机6和用于向生物体1输出磁刺激的 线圈7， 还设置有反馈控制模块4和用于预先设定磁刺激重复频率的频率预设模块5， 其中， 所述频率预设模块5的输出分别连接磁刺激器主机6和反馈控制模块4的输入端， 所述反馈 说明书 2/4 页 4 CN 111840803 A 4 控制模块4的输入端还连接频率提取模块3的输出端， 所述反馈控制模块4的输出端连接磁 刺激器主。

17、机6的输入端， 用于向磁刺激器主机6输入结合预设的磁刺激重复频率和神经电信 号主频序列产生的频率控制信号， 所述磁刺激器主机6的输入端还连接有刺激强度和脉冲 个数设置模块8。 0026 本发明的一种结合预设频率和生物电反馈的变频磁刺激系统中， 所述的刺激强度 和脉冲个数设置模块8用于输出刺激强度和脉冲个数至磁刺激器主机6， 所述的磁刺激器主 机6将接收到的预设频率序列或反馈频率序列、 每个刺激段时长、 刺激强度和脉冲个数输出 至线圈7， 所述的线圈7用于产生磁刺激， 作用于生物体1的磁刺激靶点处， 所述的神经电信 号采集模块2用于在生物体接受磁刺激之后采集生物体磁刺激靶点处的神经电信号。 00。

18、27 本发明首先根据预设频率和每个刺激段时长实施磁刺激， 然后再采集生物体1磁 刺激靶点处的生物电信号， 结合预设频率与刺激靶点处神经电信号主频序列给出反馈频率 序列， 再次输出基于反馈频率序列的磁刺激。 在按照预设频率调控神经振荡的同时， 根据生 物体1靶点处的神经电信号对预设频率进行微调， 将达到更好的刺激效果。 0028 本发明所述的频率预设模块5， 是由第一可编程控制器构成， 具有三种工作模式： 分别为用于预设固定重复频率f1(t)F0、 预设随线性函数变化的重复频率f2(t)k*t、 以 及预设随阶梯函数变化的重复频率f3(t)F1,F2,F3,， 其中， F0为固定重复频率， k为。

19、频 率变化速率， k0， F1,F2,F3,为阶梯重复频率， 所述的频率预设模块5运行如下步骤： 0029 (5.1)设置刺激序列总时长为h， 共有n个刺激段， n2， 每个刺激段时长为m， mh/ n； 0030 (5.2)设定预设频率序列为Xx0,x1,.xn， 作为磁刺激的重复频率序列， 对于 第一种工作模式， 预设频率序列XF0,F0,F0， 对于第二种工作模式， 预设频率序列X f2(m),f2(2*m),f2(n*m)， 对于第三种工作模式， 预设频率序列XF1,F2,Fn； 0031 (5.3)将重复频率序列X和每个刺激段时长m输出至磁刺激器主机6。 0032 对于所述的频率预设。

20、模块5的第一种工作模式， 与已有的重复频率磁刺激一致， 即 设置固定的重复频率进行磁刺激， 以10s为刺激序列总时长， 以2s为每个刺激段时长， 设置 固定重复频率为5Hz， 第一种工作模式输出的预设频率序列为5,5,5,5,5； 对于所述的频 率预设模块5的第二种工作模式， 是根据线性函数生成随时间变化的频率序列作为磁刺激 的重复频率， 是重复频率随时间变化的磁刺激， 以一元一次线性函数f(t)0.5t为例， 重复 频率随时间的增加而增加， 以10s为刺激序列总时长， 重复频率从0Hz增加至5Hz， 以2s为每 个刺激段时长， 形成5个时间段， 以每一个时间段的末尾时间点对应的重复频率作为该。

21、时间 段的重复频率， 输出的预设频率序列为1,2,3,4,5； 对于所述的频率预设模块5的第三种 工作模式， 是根据阶梯函数生成随时间变化的频率序列作为磁刺激的重复频率， 以1Hz为频 率步进， 以2s为每个刺激段时长， 以6s为刺激序列总时长， 生成的重复频率为F11Hz， 0t 2； F22Hz,2t4； F33Hz,4t6， 输出的预设频率序列为1,2,3。 0033 对于第三种工作模式， 也可根据生物体神经电信号时频特征的经验值进行设置。 例如在闭眼清醒的时间段以Alpha节律为主(8-13hz)， 因此可将这一时间段的重复频率按 照梯度函数的形式设置为8-13Hz。 另外， 根据研究。

22、目标， 也可以选择生物体1磁刺激靶点以 外的其他位置处神经电信号时频特征的经验值进行设置， 或选择其他生物体神经电信号时 频特征的经验值进行设置。 说明书 3/4 页 5 CN 111840803 A 5 0034 本发明所述的频率提取模块3是由第二可编程控制器构成， 用于将采集到的神经 电信号进行分段， 将各段神经电信号进行傅里叶变换， 得到各段神经电信号的频谱曲线， 提 取频谱曲线中能量最大值对应的频率， 得到生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列， 记为Yy0,y1,.yn。 0035 如图2所示， 本发明所述的反馈控制模块4是由第三可编程控制器构成， 用于结合 预设频率和神经电信号主频。

23、序列给出反馈频率序列， 包括完成如下步骤： 0036 (4.1)计算预设频率序列X和生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列Y的差值 平方根； 0037 (4.2)判断预设频率序列X和生物体磁刺激靶点处神经电信号的主频序列Y的差值 平方根是否小于1Hz， 是， 则计算得出反馈频率序列F(X+Y)/2， 并将反馈频率序列F输出至 磁刺激器主机6后， 继续接收频率提取模块3和频率预设模块5的信号， 并返回步骤(4.1)； 否 则， 不输出反馈频率序列F， 停止磁刺激。 0038 本发明中所述的第一可编程控制器、 第二可编程控制器和第三可编程控制器结构 相同， 均可采用XILINX公司的FPGA板， 。

24、型号： ULTRASCALE+fFZ3B或AX7020。 根据本发明所述 方法编写算法， 并转换为FPGA可识别的汇编语言， 写入FPGA程序存储器ROM， 执行程序。 本发 明 中 所 述 的 神经电 信 号 采 集 模 块 2 可 采 用型 号 为 N e u r o s c a n 脑电 放 大 器 或 BiosemiActiveTwo脑电放大器。 磁刺激器主机6可采用型号为Magtim公司的Rapid2或 MagVenture公司的Magpro磁刺激器。 0039 下面给出实施案例： 0040 将预设频率设置为5Hz的高频刺激， 通过磁刺激器主机进行重复磁刺激， 刺激靶点 为人脑右侧运。

25、动区C4； 刺激结束后， 采集运动区C4处的脑电信号， 提取主频序列， 计算运动 区C4处主频序列与预设频率的差值均方根， 根据差值均方根是否小于1Hz给出是否继续迭 代的控制信号， 当差值均方根不小于1Hz时， 将预设频率和运动区C4主频序列的均值作为下 一次磁刺激的重复频率， 继续进行重复磁刺激， 当差值均方根小于1Hz时， 停止磁刺激， 实现 了结合预设频率和生物电反馈的磁刺激。 0041 将刺激靶点处的神经电信号主频用于反馈调控预设频率， 形成结合预设频率和生 物电反馈的重复频率， 进行磁刺激作用于靶点处， 能够与靶点处神经振荡形成更贴合的共 振， 能更加有效地调控神经元活动， 为rTMS重复频率的设置提供新的方案， 为rTMS用于脑刺 激提供新的思路、 装置和方法。 0042 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述， 但是本发明并不局限于上 述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 并不是限制性的。 0043 本领域的普通技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下， 还可以作出很多形式， 这些均属于本发明的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 111840803 A 6 图1 图2 说明书附图 1/1 页 7 CN 111840803 A 7 。