一种非侵入式复合刺激系统及方法与流程

1.本发明涉及电子信息通信、自动控制、生物医学、神经科学等领域，尤其涉及一种非侵入式复合刺激系统及方法。


背景技术：

2.目前，神经方面等疾病治疗方法早已由传统的针灸、火罐、刮痧及中药服用等治疗方式进展到利用声、超声、磁、光、电等或其多种组合物理性治疗手段或与传统的治疗方法的组合方式，实现神经系统疾病的治疗和调控。神经调控技术既是临床治疗，亦是难治性神经系统疾病的有效手段，也是研究神经环路、解析脑功能的重要方法。
3.目前常用的脑部神经治疗包括侵入式或非侵入性技术。其中，侵入式技术主要是深部脑刺激(deep brain stimulation，dbs)，通过手术将电极植入到患者脑内，利用各类脉冲刺激其大脑深部组织和神经元，治疗和调控神经。该治疗方法需要打骨开孔并穿过部分大脑组织放置电极，存在出血和感染等风险，仅适合特特殊人群。
4.非侵入式主要包括经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，tms)和经颅电刺激(transcranial electrical stimulation，tes)、声频刺激及光频刺激等。经颅磁刺激tms是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑)，改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。经颅电刺激tes是一种非侵入性的、利用恒定、低强度直流电(0.5ma-3ma)调节大脑皮层神经元活动的技术。
5.现有的非侵入性神经刺激深度主要在大脑皮层，经颅磁刺激和电刺激可以通过特殊线圈和波长调整，可作用到大脑深部，但精准性不够，大脑浅表层也会受到影响；另外，现有的方案中大多是采用低频磁场与电场直接刺激，通过低频磁场与电场刺激的加和刺激大脑深部，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种非侵入式复合刺激系统及方法，以满足实际使用的需要。


技术实现要素：

6.为了解决以上技术问题，本发明提供了一种非侵入式复合刺激系统及方法。
7.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
8.本发明提供一种非侵入式复合刺激系统，包括：
9.一高频磁场产生装置，用于提供至少一路高频经颅磁电转换刺激源；
10.一高频电场产生装置，用于提供至少一路高频电刺激源；
11.一刺激控制装置，分别连接所述高频磁场产生装置和所述高频电磁产生装置，用于根据一预设的刺激方式控制所述至少一路高频经颅磁电转换刺激源和/或所述至少一路高频电刺激源朝向单一组织区域或多组织区域；
12.其中，控制所述至少一路高频经颅磁电转换刺激源和所述至少一路高频电刺激源同时刺激时，所述高频经颅磁电转换刺激源产生的交变电场和所述高频电刺激源产生的交
变电场进行干涉，形成低频的包络电场；
13.所述刺激控制装置还用于改变所述高频经颅磁电转换刺激源、所述高频电刺激源的位置和磁电参数，以得到需要的所述包络电场；以及通过低频的所述包络电场对所述组织区域进行刺激。
14.优选地，所述预设的刺激方式包括同时刺激或按时序刺激，以及单路刺激或多路刺激。
15.优选地，所述高频磁场产生装置包括：
16.至少一磁感应线圈，所述至少一磁感应线圈固定安装于一固定架上，并可通过所述固定架带动所述磁感应线圈在xyz轴方向移动；
17.一磁场调整单元，连接所述至少一磁感应线圈，用于调控各所述磁感应线圈的磁场频率和强度。
18.优选地，所述固定架包括：
19.一第一支架和一第二支架，所述第一支架和所述第二支架互相垂直设置，所述第一支架的末端还设有一第三支架，所述磁感应线圈设置于所述第三支架上；
20.所述第一支架、第二支架和所述第三支架上均设有可移动机构，用于各支架之间通过所述可移动机构进行相对移动；
21.所述第三支架上还设有角度调整装置，所述角度调整装置通过所述可移动机构沿着所述第三支架移动。
22.优选地，所述所述第一支架、第二支架和所述第三支架均采用非金属材料。
23.优选地，所述第三支架呈弧形；
24.所述角度调整装置通过所述可移动机构沿着所述第三支架的弧度进行移动，以调整所述高频经颅磁电转换刺激源的角度。
25.优选地，所述磁感应线圈采用“拍”型线圈或双“拍”型组合线圈或“8”型线圈或“h1～h14”型线圈。
26.优选地，所述高频电场产生装置包括：
27.至少一对电极，通过贴附的方式固定于所述组织区域的组织表面，且每对所述电极通过导线连接一信号源发生装置；
28.一电场调整单元，连接所述至少一对电极，用于调控电场频率和电场强度。
29.优选地，所述至少一对电极采用非磁感应金属材料；
30.所述导线和所述信号源发生装置通过一电磁屏蔽装置进行隔离。
31.本发明还提供一种非侵入式复合刺激方法，用于如上述的非侵入式复合刺激系统，所述方法包括：
32.提供至少一路高频经颅磁电转换刺激源和至少一路高频电刺激源；
33.根据一预设的刺激方式控制所述至少一路高频经颅磁电转换刺激源和/或所述至少一路高频电刺激源朝向单一组织区域或多组织区域；
34.其中，控制所述至少一路高频经颅磁电转换刺激源和所述至少一路高频电刺激源同时刺激时，向一组织区域施加一第一预设频率的所述高频经颅磁电转换刺激源，同时施加一第二预设频率的高频电刺激源；
35.所述高频经颅磁电转换刺激源产生的交变电场和所述高频电刺激源产生的交变
电场进行干涉，形成低频的包络电场；
36.对所述高频经颅磁电转换刺激源、所述高频电刺激源的位置进行调整，以将低频的所述包络电场控制在需要刺激的组织区域内；以及对磁电参数进行调整，以得到需要的所述包络电场对所述组织区域进行刺激，组织区域刺激的频率为所述第二预设频率和所述第一预设频率的差值。
37.本发明的有益效果在于：
38.本发明利用大脑的低通滤波特性，采用高频磁刺激和高频恒流电刺激混合准确定位的非侵入性脑刺激，精准调控深部脑靶区的神经；利用高频磁刺激在组织区域内产生的感应电流与高频电刺激产生的电流在准确区域定位并产生包络电场，提高刺激深度；还可以自由切换磁、电刺激方式的刺激强度及刺激组合。
附图说明
39.图1为本发明中，经颅磁刺激和电刺激同时刺激的原理示意图；
40.图2为本发明中，交变磁场及交变电场下神经组织产生感应时的电流示意图；
41.图3为本发明中，高频磁场产生装置具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
45.本发明提供一种非侵入式复合刺激系统，参见图1-3，包括：
46.一高频磁场产生装置，用于提供至少一路高频经颅磁电转换刺激源；
47.一高频电场产生装置，用于提供至少一路高频电刺激源；
48.一刺激控制装置，分别连接高频磁场产生装置和高频电磁产生装置，用于根据一预设的刺激方式控制至少一路高频经颅磁电转换刺激源和/或至少一路高频电刺激源朝向单一组织区域或多组织区域；
49.其中，控制至少一路高频经颅磁电转换刺激源和至少一路高频电刺激源同时刺激时，由于刺激源均是高频，均不在浅表层产生刺激，而是由高频经颅磁电转换刺激源产生的交变磁场和高频电刺激源产生的交变电场进行干涉，形成低频的包络电场，通过低频的包络电场对大脑组织区域产生刺激作用；
50.刺激控制装置还用于改变高频经颅磁电转换刺激源、高频电刺激源的位置和磁电参数，以得到需要的包络电场；以及通过包络电场对组织区域进行刺激。
51.针对现有的非侵入性神经刺激作用到大脑深部时的精准性不够，影响大脑浅表层的问题，本技术中提出一种非侵入式复合刺激系统，基于磁电多通道高频混合技术，实现神经刺激区域的精确定位，提高刺激深度。
52.本发明提供单路或多路高频电刺激源，以及单路或多路高频经颅磁电转换刺激源，刺激控制装置根据预设的刺激方式对生物单一组织区或多组织区域进行刺激，预设的刺激方式中刺激源可以任意组合，例如单路高频电刺激源或高频经颅磁电转换刺激源单独刺激，或者也可以高频电刺激源和高频经颅磁电转换刺激源实时同时刺激或按时序刺激，同时刺激或按时序刺激时高频电刺激源和高频经颅磁电转换刺激源的通道数可以任意组合。
53.高频经颅磁电转换刺激源由磁感应线圈11产生，通过磁感应线圈11产生高频磁场，并在组织区域中产生感应电场及依据交变磁场产生交变感应电场、电流；高频电刺激源由电极产生，电极可以通过刺激仪器产生交变电场电流，交变电场电流与高频经颅磁电转换刺激源产生的交变感应电场、电流同时作用在生物组织区域上，通过磁场交互定位，干涉形成包络电场，并进一步对精准定位，使用包络电场刺激需要的刺激的深度组织区域，形成组织区域的深度刺激。
54.需注意的是，产生的高频磁场与高频电场频率大于1khz，其本身不对组织区域产生刺激作用，而是通过高频磁场的感应电场与高频电场产生的低频的包络电场对需要刺激的深度组织区域进行刺激，包络电场的频率为10hz～100hz。
55.刺激控制装置可以集成于上位机或其他设备中，也可以以其他形式存在，刺激控制装置可以根据刺激条件和刺激反馈信息智能调整各刺激源的刺激强度、机械位置、磁电物理量，刺激反馈信息包括刺激效果，由信息反馈系统提供，实现包络电场的智能位置调整和智能精准定位。
56.进一步的，可以通过调整交变磁场的频率，实现交变感应电场的频率调整；通过调整单对电极或多对电极实现电场频率及相位的调控。
57.进一步的，刺激控制装置还可以支持记忆模式，于记忆模式下设定刺激源位置、刺激强度，便于定期相同条件重复测试。
58.作为优选的实施方式，预设的刺激方式包括同时刺激或按时序刺激，以及单路刺激或多路刺激。
59.作为优选的实施方式，如图3所示，高频磁场产生装置包括：
60.至少一磁感应线圈11，至少一磁感应线圈11固定安装于一固定架上，并可通过固定架带动磁感应线圈11在xyz轴方向移动；
61.一磁场调整单元，连接至少一磁感应线圈11，用于调控各磁感应线圈11的磁场频率和强度。
62.具体的，在本实施例中，固定架由多个支架组成，通过调整多个支架之间的相对位置关系，实现磁感应线圈11的xyz轴方向位置的调整，进而可以灵活的实现包络电场的位置、深度的调整。
63.作为优选的实施方式，如图3所示，固定架包括：
64.一第一支架121和一第二支架122，第一支架121和第二支架122互相垂直设置，第一支架121的末端还设有一第三支架123，磁感应线圈11设置于第三支架123上；
65.第一支架121、第二支架122和第三支架123上均设有可移动机构，用于各支架之间通过可移动机构进行相对移动；
66.第三支架123上还设有角度调整装置，角度调整装置通过可移动机构沿着第三支
架123移动。
67.具体的，在本实施例中，固定架包括三个支架，具体包括相互垂直设置的第一支架121和第二支架122，第一支架121可以沿着第二支架122移动，实现磁感应线圈11在y轴方向的调整；第二支架122可以沿着第一支架121移动，实现磁感应线圈11在z轴方向的调整；
68.第三支架123设置在第一支架121的末端，磁感应线圈11安装在第三支架123上，磁感应线圈11可以是一个，也可以是对称或非对称设置的两个及以上的磁感应线圈11，第三支架123可以平行于第二支架122设置，也可以不平行于第二支架122设置，例如垂直设置于第二支架122，磁感应线圈11可以沿着第三支架123移动，实现x轴方向的移动。
69.优选的，第三支架123可以仅设置一个，一个第三支架123上设置一个或一个以上的磁感应线圈11；也可以设置多个，多个第三支架123中分别设置多个磁感应线圈11，实现多个磁感应线圈11的可拆卸安装。
70.作为优选的实施方式，可移动机构为齿条或螺旋导轨。
71.具体的，本实施例中通过xyz方向齿条或螺旋导轨作为可移动机构，实现多个支架之间的移动，从而带动磁感应线圈11在x、y、z三个方向分别进行移动；
72.进一步的，可以通过手动的方式进行位置的调节，也可以根据刺激要求对需要刺激的深度的组织区域进行定位，或者根据刺激反馈信息在上位机上实现位置调整，以及磁场强度对称或偏移调整。
73.作为优选的实施方式，第一支架121、第二支架122和第三支架123均采用非金属材料。
74.具体的，在本实施例中，固定架的支架部分，即三个支架均采样非金属材料。
75.作为优选的实施方式，第三支架123呈弧形；
76.角度调整装置通过可移动机构沿着第三支架123的弧度进行移动，以调整高频经颅磁电转换刺激源的角度。
77.具体的，除了可以对磁感应线圈11在xyz方向上进行位置调整外，还可通过角度调整装置实现磁感应线圈11的角度调整，进一步提高其在一定深度的组织区域中的定位精确度。其中第三支架123可以设计为弧形，也可以采用直线结构设计，或者其他结构设计，均不影响磁感应线圈11输出刺激源。本实施例中第三支架123采用两端朝向人体弯曲的弧形结构，在磁感应线圈11沿着第三支架123的方向移动时，其角度也会发生变化，此时通过角度调整装置调整其角度，实现进一步的精确定位。
78.作为优选的实施方式，磁感应线圈11采用“拍”型线圈或双“拍”型组合线圈或“8”型线圈或“h1～h14”型线圈。
79.具体的，在本实施例中，本发明中的磁感应线圈11可以调控磁场频率和强度，线圈形状可以是“拍”型、或双“拍”型组合、或采用标准型“8”型、“h1～h14”型，也可以根据需要制作特殊型线圈。
80.作为优选的实施方式，高频电场产生装置包括：
81.至少一对电极，通过贴附的方式固定于组织区域的组织表面，且每对电极通过导线连接一信号源发生装置14；
82.一电场调整单元，连接至少一对电极，用于调控电场频率和电场强度。
83.作为优选的实施方式，至少一对电极采用非磁感应金属材料；
84.导线和信号源发生装置14通过一电磁屏蔽装置15进行隔离。
85.具体的，在本实施例中，本发明通过电极产生恒流刺激，电极采用非磁感应金属，导线及信号源发生装置14采用电磁屏蔽等方法。电极可以是单对电极，也可以根据定位需求及多部位刺激配置使用多对电极。电极对以手动贴附的方式固定在相应的组织区域的表面。
86.进一步的，本发明中可以通过电极产生的恒流单独对生物组织进行组织阻抗预先测试分析。
87.于上述较佳的实施例中，本发明系统包括时域电刺激与经颅磁刺复合刺激、高频单对电极或多对电极测试组织区域的阻抗，同时基于组织阻抗建模技术、建模算法技术、磁刺激及电刺激频率及相位调整拟合方法、同步技术、机械与算法实现刺激部位定位的自动调整，本发明刺激强度及刺激方式可以自由切换组合，特别是形成包络电场的频率实现深度刺激。
88.本发明还提供一种非侵入式复合刺激方法，用于如上述的非侵入式复合刺激系统，方法包括：
89.提供至少一路高频经颅磁电转换刺激源和至少一路高频电刺激源；
90.根据一预设的刺激方式控制至少一路高频经颅磁电转换刺激源和/或至少一路高频电刺激源朝向单一组织区域或多组织区域；
91.其中，控制至少一路高频经颅磁电转换刺激源和至少一路高频电刺激源同时刺激时，向一组织区域施加一第一预设频率的高频经颅磁电转换刺激源，同时施加一第二预设频率的高频电刺激源；
92.高频经颅磁电转换刺激源产生的交变磁场和高频电刺激源产生的交变电场进行干涉，形成低频的包络电场；
93.对高频经颅磁电转换刺激源、高频电刺激源的位置进行调整，以将包络电场控制在需要刺激的组织区域内；以及对磁电参数进行调整，以得到需要的低频的包络电场对组织区域进行刺激，组织区域刺激的频率为第二预设频率和第一预设频率的差值。
94.进一步的，本发明的实施例中提供一个较佳的实施方式，由单路高频电刺激源产生的交变电场和两路对称的高频经颅磁电转换刺激源产生的交变磁场进行干涉，高频磁产生装置产生频率f的高频经颅磁电转换刺激源，使其产生交变磁场频率为f的感应电流，高频电极产生频率为f
⊿
f的高频电刺激源，产生恒流交变电场，交变磁场与恒流交变电场在需要刺激的组织区域中产生频率
⊿
f的刺激，其磁场强度和电场强度可进行需求调整，产生需要的频率和强度的包络电场，提高其刺激深度。
95.本发明的有益效果在于：本发明利用大脑的低通滤波特性，采用高频磁刺激(磁刺激频率≥1k hz)和高频恒流电刺激(电刺激频≥1k hz)混合准确定位的非侵入性脑刺激，精准调控深部脑靶区的神经；利用磁刺激在组织区域内产生的感应电流与电刺激产生的电流在准确区域定位并产生包络电场，提高刺激深度；还可以自由切换磁、电刺激方式的刺激强度及刺激组合。
96.本技术中的高频磁场产生装置和高频电场产生装置的具体结构是基于2对高频经颅磁电转换刺激源产生的磁场在脑内组织区域中产生的感应电流与1对高频经颅电刺激源产生的电流在准确的目标组织区域定位并产生“包络”电场的原则进行的具体结构的设计，
在此基础上，增加或减少刺激源均属于本技术的保护范围内。
97.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。