專利名稱：一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，特別涉及到一種新型經(jīng)顱直流電刺激裝置。
背景技術(shù)：
經(jīng)盧頁直流電刺激(transcranialdirect current stimulation, tDCS)是一種非侵入性調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性的方法。在國外，系統(tǒng)研究tDCS始于20世紀60年代，隨著最近對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能和病理的了解增加，tDCS在最近幾年再度成為研究熱點。tDCS將一對大小25-35 cm2的方形正負電極貼附于頭頡表皮并導(dǎo)入10-20分鐘的1_2 mA微弱直 流電流，tDCS的電流流動從正極到負極，一部分電流通過頭皮，一部分通過大腦，通過刺激大腦皮層，調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性，研究顯示tDCS正極下方腦區(qū)被激活，負極下方被抑制。目前，tDCS主要應(yīng)用于認知科學(xué)和腦科學(xué)，同時在臨床醫(yī)學(xué)中應(yīng)用于各種神經(jīng)、精神疾病的診斷與治療?，F(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)在在下列方面存在不足之處a)現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)的電極的面積較大，一般為25_35 cm2的正方形電極。這樣尺寸的電極決定被刺激的腦區(qū)面積也在25-35 cm2左右。當希望精確刺激某個微小面積的腦區(qū)時，必然無法避免地同時刺激了目標腦區(qū)周邊的腦區(qū)。b)由于正負電極對于其下方的腦區(qū)的作用是相反的，這就使得當希望用正極去激活某一個腦區(qū)時，卻會不可避免地造成負極下方的另一個腦區(qū)被抑制，而這種抑制作用對實驗結(jié)果將造成難以控制的影響。c)現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)均無法精確定位tDCS刺激的腦區(qū)位置。目前絕大多數(shù)tDCS研究是利用10-20國際電極放置法來放置tDCS電極。10-20國際電極放置法是基于頭盧頁表面尺寸來標定電極位置，這種定位方法與大腦腦區(qū)沒有精確的對應(yīng)關(guān)系，因此，現(xiàn)有tDCS系統(tǒng)雖然可以定位tDCS電極位置，但均無法準確定位tDCS刺激的腦區(qū)位置。d) 現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)多為單通道，無法在全頭范圍內(nèi)實現(xiàn)高空間聚焦性的多通道刺激。目前一些tDCS制造商已經(jīng)開發(fā)了多通道tDCS初級產(chǎn)品。如德國Neuro Conn公司的最新產(chǎn)品DC-SHMULAT0R MC最大可達16通道。美國Soterix醫(yī)療公司的4X1-C2 tDCS具有2通道刺激能力。但上述產(chǎn)品在實際中都未被廣泛使用，根本原因在于其設(shè)計原理只是簡單地將單通道進行數(shù)量上的擴容。原本單通道tDCS就存在著空間聚焦性較差的缺點，多通道tDCS由于電極數(shù)目的增加和相對位置的復(fù)雜化，各組電極之間的合成效應(yīng)必然會造成tDCS電流的走向、強度、分布的復(fù)雜化，從而使得空間聚焦性更加惡化。e) 現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)中電極的極性和電流強度均為固定值，無法通過對刺激參數(shù)進行優(yōu)化配置來產(chǎn)生復(fù)雜的刺激模式。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于為了解決現(xiàn)有tDCS系統(tǒng)具有的覆蓋范圍小、聚焦性差、通道數(shù)少、無法定制復(fù)雜刺激等缺點，本實用新型提出一種全新的tDCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括tDCS刺激裝置和控制方法。本實用新型方案可以根據(jù)用戶指定的刺激位置和類型，完成各通道刺激參數(shù)的自動優(yōu)化，并最終生成滿足用戶要求的刺激。本方案提出的tDCS系統(tǒng)具有覆蓋全頭、高聚焦性、多通道等優(yōu)點，其刺激定位準確，并可定制復(fù)雜刺激。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置，包括tDCS電極陣列、電源與控制單元；其中，tDCS電極陣列為基于10-20國際電極放置法在頭顱表面設(shè)置的多通道的圓形導(dǎo)電電極，該電極陣列中各通道電極與電源之間分別通過獨立的控制單元連接，各通道電極極性以及電流強度由這些獨立的控制單元分別控制；tDCS電極陣列集成為電極帽形式，采用導(dǎo)電膏作為tDCS電極陣列與皮膚之間的介質(zhì)。所述 電源為直流電電源，輸出電壓范圍為±5 V，輸出電流強度范圍為±5000 μΑ。所述控制單元用于控制電極的極性和電流強度。有益效果本實用新型方案提出了高聚焦性多通道tDCS系統(tǒng)的新型設(shè)計理論和方法。相比較現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)，本方案具有以下的特色與優(yōu)勢I)提供了實施復(fù)雜刺激的可能性相比較現(xiàn)有的單通道tDCS只能在正極下方產(chǎn)生興奮，負極下方產(chǎn)生抑制的單一刺激模式，本方案為用戶提供了實施多點，多類型復(fù)雜刺激的可能性，可以實現(xiàn)用戶定制刺激，將極大地拓展tDCS的研究手段。2)可以實現(xiàn)tDCS精確定位和受試者特定刺激現(xiàn)有的tDCS研究都未曾結(jié)合受試者的頭顱影像實施精確刺激，本方案將受試者頭顱MRI圖像和tDCS陣列實施配準，為精確定位tDCS刺激提供了可能。同時，MRI圖像可以反映受試者大腦的多種信息(形態(tài)、病灶點等)，基于這些信息合理指定刺激位置和類型，可以實現(xiàn)受試者特定刺激，可以極大地提高tDCS刺激的針對性和精確性。3)可以實現(xiàn)高聚焦性刺激本方案利用tDCS電極參數(shù)優(yōu)化生成刺激，使刺激位置與用戶根據(jù)MRI圖像預(yù)先設(shè)定的刺激位置吻合，相比較現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)，本方案可以極大地提高聚焦性。此外，本方案的tDCS電極面積較現(xiàn)有tDCS系統(tǒng)大大縮小，這也有助于提高聚焦性能。4)可以減少邊界效應(yīng)和不良反應(yīng)現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)中使用的方形電極會在四角出現(xiàn)較強的邊界效應(yīng)，本方案中采用的圓形電極可以降低邊界效應(yīng)。同時由于電極面積減少和電流強度的減弱，可以降低皮膚的不良反應(yīng)。5)可以與EEG結(jié)合升級為tDCS-EEG聯(lián)合系統(tǒng)對腦區(qū)實施tDCS后利用腦波(EEG)檢測腦功能以及腦功能連接隨之發(fā)生變化，是一種新興的研究方法。tDCS電極導(dǎo)入/出的是直流電，而EEG采集的則是交流信號。將tDCS和EEG電極合二為一，實施tDCS刺激的同時采集EEG信號，從信號處理角度完全可行。本方案中tDCS電極按照EEG 10-20國際電極放置法分布，保證了與EEG的匹配性。因此，本方案可以很方便的與EEG結(jié)合升級為tDCS-EEG聯(lián)合系統(tǒng)。

附圖I為現(xiàn)有單通道tDCS的典型系統(tǒng)。附圖2為tDCS刺激大腦神經(jīng)的原理圖。[0024]附圖3為現(xiàn)有多通道tDCS系統(tǒng)設(shè)計原理圖。附圖4為本實用新型多通道tDCS電極陣列設(shè)計原理圖。附圖5為本實用新型多通道tDCS電極陣列分布原理圖。附圖6為本實用新型多通道tDCS電極陣列集成為電極帽示意圖。附圖7為tDCS電極帽與電源和控制單元連接示意圖。附圖8為本實用新型系統(tǒng)模塊圖。附圖9為tDCS電極在腦內(nèi)中產(chǎn)生電流分布的模擬結(jié)果。附圖10為用戶指定刺激類型后系統(tǒng)自動生成tDCS電極參數(shù)設(shè)定的模擬結(jié)果。
具體實施方式
本實用新型提出的高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置和控制方法包括硬件模塊和參數(shù)優(yōu)化模塊。硬件模塊如附圖4中所示的是本方案提出的多通道tDCS電極陣列。該tDCS電極陣列基于10-20國際電極放置法在頭顱表面設(shè)置多通道的tDCS電極，電極極性以及電流強度由多路獨立單元分別控制。與現(xiàn)有tDCS系統(tǒng)不同，本方案可以在全頭范圍內(nèi)實現(xiàn)多通道刺激。有別于現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)所通常采用的25-35 cm2的方形電極，在本方案的設(shè)計中將采用小于5 cm2的圓形電極。研究表明使用方形電極將會導(dǎo)致電流在四個角落處集中分布(邊界效應(yīng))，這種非均勻分布可能會引起皮膚的不適，而圓形電極則可以避免這種情況發(fā)生。tDCS的刺激強度取決與加載在電極上的電流密度，如果減小電極面積的同時降低電流強度以保持電流密度不變，就可以保持tDCS的刺激強度不變。另一方面，通過減小電極尺寸可以提高刺激的空間聚焦性；同時，低電流強度和小面積電極都將降低被試者的不良反應(yīng)。因此，本方案將采用小尺寸的圓形電極，可以實現(xiàn)在保證刺激的效果的前提下，提高空間聚焦性并減少邊界效應(yīng)和不良反應(yīng)。為了方便定位tDCS電極，同時為了保證與EEG系統(tǒng)最大的匹配性，本方案中的tDCS電極按10-20國際電極放置法分布，并將tDCS電極集成為電極帽形式，以方便佩戴和實施定位。同時有別于現(xiàn)有的tDCS系統(tǒng)采用含鹽水海綿作為電極與皮膚之間的介質(zhì)，本方案使用導(dǎo)電膏來做為tDCS電極與皮膚之間的介質(zhì)。這種方法即可以大大減少電極與皮膚的接觸面積以提高空間聚焦性，同時該方法可以避免因海綿脫水造成電極阻抗的改變。a) 參數(shù)優(yōu)化模塊本方案采用被試者的MRI圖像作為刺激目標定位標準，用戶可在MRI圖像上指定希望刺激的位置(一個或多個腦區(qū))并選定刺激類型(興奮或抑制)。此外，不同于現(xiàn)有tDCS系統(tǒng)中電極極性和電流強度是預(yù)先固定的，本方案的電極極性和電流強度的設(shè)定是動態(tài)可變的。用戶指定刺激模式后，刺激參數(shù)優(yōu)化模塊將自動計算并設(shè)定各個電極的極性和各個電極上導(dǎo)入/出的電流強度，最終使tDCS電極陣列生成的合成電流分布與用戶指定的刺激模式相吻合。上述特點可以使本方案提出的tDCS系統(tǒng)具有定位精確，可以定制受試者特定刺激，tDCS刺激具有較高的空間聚焦性能等優(yōu)點。參數(shù)優(yōu)化具體步驟如下[0041]I)首先利用MRI建立頭顱電磁模型。參考A. Christ研究小組的方法(TheVirtual Family—development of surface-based anatomical models of two adultsand two children for dosimetric simulations, 2010)，利用閾值法從高分辨率的 MRI二維圖像分割出各個組織，并在三維空間重構(gòu)頭顱各個組織的立體結(jié)構(gòu)。運用有限差分法(finite difference method)來進行人體頭頡電磁模型的建模。本方案將該頭頡立體結(jié)構(gòu)分割成2 mm邊長的小立方體元素，每一個立方體元素的電磁特性可用并聯(lián)的電容和電阻來等效，電容和電阻值由立方體元素所屬組織的電磁特性來決定。2)根據(jù)tDCS電極陣列及頭顱基準點，結(jié)合MRI圖像獲取tDCS電極在頭顱上的位置。本方案中采用基準點法和表面匹配法的加權(quán)結(jié)合法來實現(xiàn)tDCS電極陣列與頭顱電磁模型的配準。具體步驟如下。a) 利用數(shù)字定位儀器(NDI Polaris)獲取被試者所在坐標系中的tDCS電極陣列坐標和被試者頭部生理基準點(LPA、RPA、Nz，如圖4所示)坐標。 b) 基于 A. Gevins 的研究(Beyond topographic mapping: towardsfunctional -anatomical imaging with 124-channel EEGs and 3-D MRIs, 1990),由于多通道tDCS電極陣列放置在頭顱表面，電極陣列的空間坐標可以表征頭皮形狀。因此，本方案直接利用步驟a)中所獲得的tDCS電極陣列的坐標構(gòu)建數(shù)字化頭皮形狀。c)利用圖像處理方法從MRI圖像中分別抽出生理基準點和頭皮形狀。d) 利用c)中抽出生理基準點和頭皮形狀，對tDCS電極陣列坐標系與MRI圖像坐標系進行配準，以獲得tDCS電極陣列坐標系與MRI圖像坐標系之間的全局最優(yōu)變換矩陣，參照劉凡等人的方法(基準點法和表面匹配法加權(quán)結(jié)合的MRI圖像和EEG電極的配準，2000)先利用基準點配準法對基準點進行配準，從而將變換矩陣的初值解移到全局最優(yōu)解附近。再分別對基準點和頭皮形狀實施基準點法配準和表面匹配法配準，并將兩種方法加權(quán)結(jié)合形成綜合評判準則，通過迭代最近點算法(ICP)計算得到tDCS電極陣列坐標系與MRI圖像坐標系之間的全局最優(yōu)變換矩陣。e) 基于d)中所得到的變換矩陣，再利用I)中所述的由MRI轉(zhuǎn)化到頭顱電磁模型的方法，最終將tDCS電極陣列坐標映射到頭顱電磁模型上。3)在完成tDCS電極陣列和頭顱電磁模型配準的基礎(chǔ)之上，進行tDCS刺激模型的建模。首先逐個計算各個電極的tDCS刺激在腦內(nèi)的電流分布狀況，利用有限差分法模擬各個電極單獨施加單位電壓(IV) tDCS刺激時其在腦內(nèi)引起的電流分布。完成對各個tDCS電極刺激的電流分布模擬之后，可以建立如式(I)中所示tDCS刺激模型
J(JC，V, z) = 2 m J1 (Λ, V5 )(I)
!■=1其中，代表在第i個電極上施加單位電壓時所產(chǎn)生的電流分布，
代表電極陣列所有電極產(chǎn)生的合成電流，巧代表各個電極上的加權(quán)系數(shù)，#代表tDCS通道數(shù)。4)基于tDCS刺激模型，進一步建立刺激參數(shù)優(yōu)化模型。當用戶希望刺激某些特定腦區(qū)，即指定腦內(nèi)電流分布后，使式(2)所示目標函數(shù)c取值最小，從而求得
各個電極系數(shù)A的最優(yōu)化解，采用遺傳算法(genetic algorithm, GA)對 ^進行最優(yōu)化求
解
權(quán)利要求1.一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置，其特征在于包括tDCS電極陣列、電源與控制單元；其中，tDCS電極陣列為基于10-20國際電極放置法在頭顱表面設(shè)置的多通道的圓形導(dǎo)電電極，該電極陣列中各通道電極與電源之間分別通過獨立的控制單元連接，各通道電極極性以及電流強度由這些獨立的控制單元分別控制；tDCS電極陣列集成為電極帽形式，采用導(dǎo)電膏作為tDCS電極陣列與皮膚之間的介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置，其特征在于所述電源為直流電電源，輸出電壓范圍為±5 V，輸出電流強度范圍為±5000 μΑ。
專利摘要本實用新型公開了一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置，包括tDCS電極陣列、電源與控制單元；其中，tDCS電極陣列為基于10-20國際電極放置法在頭顱表面設(shè)置的多通道的圓形導(dǎo)電電極，該電極陣列中各通道電極與電源之間分別通過獨立的控制單元連接，各通道電極極性以及電流強度由這些獨立的控制單元分別控制；tDCS電極陣列集成為電極帽形式，采用導(dǎo)電膏作為tDCS電極陣列與皮膚之間的介質(zhì)。
文檔編號A61N1/20GK202777455SQ20122017346
公開日2013年3月13日 申請日期2012年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月21日
發(fā)明者葛盛, 陳戟, 王建朋, 楊國, 康煒, 吳文 申請人:南京理工大學(xué)