專利名稱：一種高聚焦性多通道經顱直流電刺激裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于生物醫(yī)學技術，特別涉及到一種新型經顱直流電刺激裝置。
背景技術：
經盧頁直流電刺激(transcranialdirect current stimulation, tDCS)是一種非侵入性調節(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主要應用于認知科學和腦科學，同時在臨床醫(yī)學中應用于各種神經、精神疾病的診斷與治療?，F有的tDCS系統(tǒng)在在下列方面存在不足之處a)現有的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果將造成難以控制的影響。c)現有的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)沒有精確的對應關系，因此，現有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) 現有的tDCS系統(tǒng)多為單通道，無法在全頭范圍內實現高空間聚焦性的多通道刺激。目前一些tDCS制造商已經開發(fā)了多通道tDCS初級產品。如德國Neuro Conn公司的最新產品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。但上述產品在實際中都未被廣泛使用，根本原因在于其設計原理只是簡單地將單通道進行數量上的擴容。原本單通道tDCS就存在著空間聚焦性較差的缺點，多通道tDCS由于電極數目的增加和相對位置的復雜化，各組電極之間的合成效應必然會造成tDCS電流的走向、強度、分布的復雜化，從而使得空間聚焦性更加惡化。e) 現有的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進行優(yōu)化配置來產生復雜的刺激模式。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于為了解決現有tDCS系統(tǒng)具有的覆蓋范圍小、聚焦性差、通道數少、無法定制復雜刺激等缺點，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用戶指定的刺激位置和類型，完成各通道刺激參數的自動優(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，并可定制復雜刺激。實現本實用新型目的的技術解決方案為一種高聚焦性多通道經顱直流電刺激裝置，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置的多通道的圓形導電電極，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，采用導電膏作為tDCS電極陣列與皮膚之間的介質。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)的新型設計理論和方法。相比較現有的tDCS系統(tǒng)，本方案具有以下的特色與優(yōu)勢I)提供了實施復雜刺激的可能性相比較現有的單通道tDCS只能在正極下方產生興奮，負極下方產生抑制的單一刺激模式，本方案為用戶提供了實施多點，多類型復雜刺激的可能性，可以實現用戶定制刺激，將極大地拓展tDCS的研究手段。2)可以實現tDCS精確定位和受試者特定刺激現有的tDCS研究都未曾結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)可以實現高聚焦性刺激本方案利用tDCS電極參數優(yōu)化生成刺激，使刺激位置與用戶根據MRI圖像預先設定的刺激位置吻合，相比較現有的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)可以減少邊界效應和不良反應現有的tDCS系統(tǒng)中使用的方形電極會在四角出現較強的邊界效應，本方案中采用的圓形電極可以降低邊界效應。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。5)可以與EEG結合升級為tDCS-EEG聯合系統(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結合升級為tDCS-EEG聯合系統(tǒng)。

附圖I為現有單通道tDCS的典型系統(tǒng)。附圖2為tDCS刺激大腦神經的原理圖。[0024]附圖3為現有多通道tDCS系統(tǒng)設計原理圖。附圖4為本實用新型多通道tDCS電極陣列設計原理圖。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電極在腦內中產生電流分布的模擬結果。附圖10為用戶指定刺激類型后系統(tǒng)自動生成tDCS電極參數設定的模擬結果。
具體實施方式
本實用新型提出的高聚焦性多通道經顱直流電刺激裝置和控制方法包括硬件模塊和參數優(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。與現有tDCS系統(tǒng)不同，本方案可以在全頭范圍內實現多通道刺激。有別于現有的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致電流在四個角落處集中分布(邊界效應)，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。因此，本方案將采用小尺寸的圓形電極，可以實現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和不良反應。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，本方案使用導電膏來做為tDCS電極與皮膚之間的介質。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，不同于現有tDCS系統(tǒng)中電極極性和電流強度是預先固定的，本方案的電極極性和電流強度的設定是動態(tài)可變的。用戶指定刺激模式后，刺激參數優(yōu)化模塊將自動計算并設定各個電極的極性和各個電極上導入/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，并在三維空間重構頭顱各個組織的立體結構。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構分割成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tDCS電極陣列及頭顱基準點，結合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結合法來實現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電極陣列的坐標構建數字化頭皮形狀。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結合的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，并將兩種方法加權結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生的電流分布，
代表電極陣列所有電極產生的合成電流，巧代表各個電極上的加權系數，#代表tDCS通道數。4)基于tDCS刺激模型，進一步建立刺激參數優(yōu)化模型。當用戶希望刺激某些特定腦區(qū)，即指定腦內電流分布后，使式(2)所示目標函數c取值最小，從而求得
各個電極系數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
權利要求1.一種高聚焦性多通道經顱直流電刺激裝置，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置的多通道的圓形導電電極，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，采用導電膏作為tDCS電極陣列與皮膚之間的介質。
2.根據權利要求I所述的高聚焦性多通道經顱直流電刺激裝置，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置的多通道的圓形導電電極，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，采用導電膏作為tDCS電極陣列與皮膚之間的介質。
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