一種體外經(jīng)顱磁刺激的神經(jīng)效應(yīng)評價(jià)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種神經(jīng)評價(jià)系統(tǒng)，特別涉及一種體外經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)評價(jià)裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 經(jīng)顱磁刺激作為一種無創(chuàng)的神經(jīng)干預(yù)手段，被越來越多地用于神經(jīng)疾病的康復(fù)治 療和腦功能科學(xué)研究的領(lǐng)域。但是經(jīng)顱磁刺激的作用機(jī)制仍然沒有被完全闡明，臨床和科 研上都需要能夠精確測量和評價(jià)經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)的儀器和方法。
[0003] 傳統(tǒng)的經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)的評價(jià)主要采用幾種人體生理和行為學(xué)指標(biāo)，包括靜 息運(yùn)動閾值(RMT )、運(yùn)動觸發(fā)電位(MEPs )、皮層靜息期(CSP)和幻視閾值(PT)等。但是這些參 數(shù)只能對相應(yīng)腦區(qū)的活動狀態(tài)進(jìn)行粗略的推測，無法提供經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)的精確信 息，例如腦區(qū)活動的高精度時間和空間信息。而且這些參數(shù)局限于評價(jià)運(yùn)動或視覺相關(guān)的 腦區(qū)，對于其他沒有顯性參數(shù)的腦區(qū)就無能為力了。
[0004] 如果采用神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)評價(jià)經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)，例如功能核磁成像(fMRI)和 正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等，能夠部分克服以上的局限。這些影像學(xué)技術(shù)能夠測量動作和 視覺區(qū)之外的腦區(qū)活動。神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)普遍檢測與血液相關(guān)的動態(tài)變化，如與神經(jīng)活動 相關(guān)氧合反應(yīng)(fMRI)和放射性標(biāo)記示蹤劑(PET)，腦血流和代謝的時空分布反映了神經(jīng)興 奮性和連通性的動態(tài)。然而這些替代信號的測量不能取代對神經(jīng)活動的直接記錄，特別是 對單細(xì)胞活動的記錄。神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的信號特異性和時空分辨率受到各種限制，如血管 結(jié)構(gòu)、血流動力學(xué)反應(yīng)和神經(jīng)調(diào)節(jié)效果。沒有足夠的時間分辨率(fMRI，PET)和空間分辨率 (MEG)極大地限制了這些技術(shù)關(guān)聯(lián)和定位神經(jīng)活動的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種體外經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)評價(jià)裝置，通過經(jīng)顱磁刺激 參數(shù)自動化閉環(huán)反饋優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)對經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)進(jìn)行高時空精度的測量、評價(jià) 和優(yōu)化。
[0006] 本發(fā)明的目的還在于提供一種感應(yīng)電場信號，神經(jīng)信號和刺激參數(shù)處理程序。
[0007] -種體外經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)評價(jià)裝置，所述裝置包括：
[0008] 經(jīng)顱磁刺激器，用于產(chǎn)生經(jīng)顱磁刺激序列；
[0009] 與經(jīng)顱磁刺激器相連的刺激線圈，用于傳導(dǎo)經(jīng)顱磁刺激序列并作用于神經(jīng)組織； [0010]培養(yǎng)所述神經(jīng)組織的神經(jīng)組織培養(yǎng)模塊；
[0011] 與所述神經(jīng)組織相連的動作電位傳感模塊，用于放大刺激在神經(jīng)組織上產(chǎn)生的感 應(yīng)電場信號和神經(jīng)信號，并將信號輸入計(jì)算機(jī)；
[0012] 與動作電位傳感模塊相連的信號處理和控制模塊，用于在線識別神經(jīng)信號和感應(yīng) 電場信號，對不同經(jīng)顱磁刺激序列產(chǎn)生的神經(jīng)效應(yīng)和感應(yīng)電場進(jìn)行分析并優(yōu)化;并將優(yōu)化 的參數(shù)反饋給經(jīng)顱磁刺激器；
[0013] 所述信號處理和控制模塊與所述經(jīng)顱磁刺激器相連。
[0014] 所述神經(jīng)組織培養(yǎng)模塊包括分別與神經(jīng)組織相連的氧氣/二氧化碳?xì)饴?，恒溫?和灌流單元，以及與灌流單元相連的懦動栗。
[0015] 所述動作電位傳感模塊包括電壓傳感器，與電壓傳感器相連的放大電路，與放大 電路相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，以及與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連的邏輯控制電路；電壓傳感器將刺激 在神經(jīng)組織上產(chǎn)生的感應(yīng)電場信號和神經(jīng)信號經(jīng)過放大電路調(diào)理放大，在邏輯控制電路控 制下，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入計(jì)算機(jī)。
[0016] 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADS1246芯片，具有24位的轉(zhuǎn)換精度;所述電壓傳感器包含 多個直徑為10-100微米的薄膜電極，每個微電極涂覆有粗糙金/鉑黑混合層，基材為玻璃基 板，電極點(diǎn)以外的表面覆蓋絕緣層。
[0017] 所述信號處理和控制模塊包括感應(yīng)電場信號處理程序，神經(jīng)信號處理程序和刺激 參數(shù)處理程序。
[0018] 所述刺激線圈為外徑10-100毫米的8字形線圈，由50-500匝0.5-2毫米直徑的漆包 銅線繞制，該線圈內(nèi)置有一個U形鐵芯。
[0019] 所述放大電路共有64個獨(dú)立的通道，每個通道具有三級有源濾波和放大功能。
[0020] -種經(jīng)顱磁刺激參數(shù)自動化閉環(huán)反饋優(yōu)化程序，使用Labview編程，具有硬件控 制、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理功能，能夠從計(jì)算機(jī)緩存讀取數(shù)據(jù)、信號濾波、自適應(yīng)計(jì) 算閾值、動作電位檢測、動作電位波形識別、計(jì)算發(fā)放率、計(jì)算功能連接強(qiáng)度和多通道數(shù)據(jù) 實(shí)時顯示，能夠從軟件界面設(shè)置采樣率、帶通濾波器、顯示參數(shù)和存儲參數(shù);使用以下公式 計(jì)算每一對通道之間的協(xié)相關(guān)系數(shù)R lj:
[0021]
[0022]其中Cov兩個通道的協(xié)方差，Var是通道自身的方差，m，nji J通道的動作電位時 間戳函數(shù)；
[0023] 再在此基礎(chǔ)上計(jì)算每一通道和其它所有通道之間的相關(guān)度權(quán)重總和，使用以下方 程對每個通道計(jì)算功能連接強(qiáng)度值FCS:
[0024]
[0025]共中，Zij是用賈苦爾Z變換Rij的歸一化值，Rij小于0.3不計(jì)入總和。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0027] 本發(fā)明的經(jīng)顱磁刺激器和刺激線圈產(chǎn)生大功率經(jīng)顱磁刺激序列，作用在神經(jīng)組織 培養(yǎng)模塊維持生存的體外神經(jīng)組織上，電壓傳感器將刺激在神經(jīng)組織上產(chǎn)生的感應(yīng)電場信 號和神經(jīng)信號經(jīng)過放大電路調(diào)理放大，在邏輯控制電路控制下，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入計(jì) 算機(jī)。信號處理和控制模塊在線識別神經(jīng)信號和感應(yīng)電場信號，對不同經(jīng)顱磁刺激序列產(chǎn) 生的神經(jīng)效應(yīng)和感應(yīng)電場進(jìn)行分析，分析結(jié)果反饋給刺激參數(shù)處理程序，再對經(jīng)顱磁刺激 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到在體外對經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)進(jìn)行定量評價(jià)和改進(jìn)優(yōu)化的作用。
[0028] 本發(fā)明利用體外模型和檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)進(jìn)行高時空精度的 測量、評價(jià)和優(yōu)化。經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)能夠在體外使用離散培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞、腦組織切片 等體外模型進(jìn)行評價(jià)。體外模型具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，體外環(huán)境高度可控，體外模型對象簡 單便于操作并且可以選擇使用更多的檢測評價(jià)手段。體外評價(jià)方式的這些特點(diǎn)能夠彌補(bǔ)在 體評價(jià)方式面臨的個體差異性、參數(shù)控制難、測量精度低和條件復(fù)雜等問題。體外神經(jīng)電生 理研究的動作電位傳感技術(shù)能夠在單個細(xì)胞水平，以微伏量級的精度和微秒量級的時間分 辨率執(zhí)行長期的、直接的、高通量的和非侵入性的細(xì)胞膜外測量。這些優(yōu)勢使得在體外對經(jīng) 顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)進(jìn)行大批量、高通量、高精度和可重復(fù)的評價(jià)成為可能。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的裝置框圖。
[0030] 圖2是本發(fā)明裝置的詳細(xì)框圖。
[0031 ]圖3是本發(fā)明動作電位傳感模塊的放大電路原理圖。
[0032]圖4是本發(fā)明刺激線圈和動作電位傳感模塊的結(jié)構(gòu)；
[0033] 圖中，1-灌流單元，2-人工腦脊液，3-腦切片，4-電壓傳感器，5-放大器，6-恒溫器， 7-刺激線圈，8-U形鐵芯。
[0034] 圖5是本發(fā)明經(jīng)顱磁刺激參數(shù)自動化閉環(huán)反饋優(yōu)化程序。
[0035]圖6是本發(fā)明經(jīng)顱磁刺激器的輸出功率和刺激線圈位置校正程序。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保 護(hù)范圍并不受【具體實(shí)施方式】的限制。
[0037] -種體外經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)評價(jià)裝置，如圖1-2所示，所述裝置包括：
[0038] 經(jīng)顱磁刺激器，用于產(chǎn)生經(jīng)顱磁刺激序列；
[0039] 與經(jīng)顱磁刺激器相連的刺激線圈，用于傳導(dǎo)經(jīng)顱磁刺激序列并作用于神經(jīng)組織；
[0040] 培養(yǎng)所述神經(jīng)組織的神經(jīng)組織培養(yǎng)模塊；
[0041] 與所述神經(jīng)組織相連的動作電位傳感模塊，用于放大刺激在神經(jīng)組織上產(chǎn)生的感 應(yīng)電場信號和神經(jīng)信號，并將信號輸入計(jì)算機(jī)；
[0042]與動作電位傳感模塊相連的信號處理和控制模塊，用于在線識別神經(jīng)信號和感應(yīng) 電場信號，對不同經(jīng)顱磁刺激序列產(chǎn)生的神經(jīng)效應(yīng)和感應(yīng)電場進(jìn)行分析并優(yōu)化;并將優(yōu)化 的參數(shù)反饋給經(jīng)顱磁刺激器；
[0043]所述信號處理和控制模塊與所述經(jīng)顱磁刺激器相連。
[0044] 該裝置的工作方法是:經(jīng)顱磁刺激器和刺激線圈產(chǎn)生大功率經(jīng)顱磁刺激序列，作 用在神經(jīng)組織培養(yǎng)模塊維持生存的體外神經(jīng)組織上，電壓傳感器將刺激在神經(jīng)組織上產(chǎn)生 的感應(yīng)電場信號和神經(jīng)信號經(jīng)過放大電路調(diào)理放大，在邏輯控制電路控制下，通過模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路輸入計(jì)算機(jī)。信號處理和控制模塊在線識別神經(jīng)信號和感應(yīng)電場信號，對不同經(jīng)顱 磁刺激序列產(chǎn)生的神經(jīng)效應(yīng)和感應(yīng)電場進(jìn)行分析，分析結(jié)果反饋給刺激參數(shù)處理程序，再 對經(jīng)顱磁刺激參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到在體外對經(jīng)顱磁刺激神經(jīng)效應(yīng)進(jìn)行定量評價(jià)和改進(jìn)優(yōu)化 的作用。
[0045] 所述神經(jīng)組織培養(yǎng)模塊包括分別與神經(jīng)組織相連的氧氣/二氧化碳?xì)饴?，恒溫?和灌流單元，以及與灌流單元相連的懦動栗。
[0046]所述動作電位傳感模塊包括電壓傳感器，與電壓傳感器相連的放大電路，與放大 電路相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，以及與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連的邏輯控制電路；
[0047]所述動作電位傳感模塊工作方式如下：神經(jīng)組織的電活動信號通過64通道的電壓 傳感器轉(zhuǎn)換成微弱的電壓模擬量，經(jīng)放大電路后得到高幅值的電壓模擬信號，再送至高精 度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，邏輯控制電流控制轉(zhuǎn)換時序，得到數(shù)字信號通過PCI總線輸入計(jì)算機(jī)。
[0048]所述動作電位傳感模塊的放大電路原理圖如圖3所示，放大電路:共有64個獨(dú)立的