專利名稱：一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，特別涉及到一種新型經(jīng)顱直流電刺激裝置和控制方法。
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(jì)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(diǎn)。tDCS將一對大小25-35 cm2的方形正負(fù)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(fù)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(fù)極下方被抑制。目前，tDCS主要應(yīng)用于認(rèn)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(dāng)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(biāo)腦區(qū)周邊的腦區(qū)。b)由于正負(fù)電極對于其下方的腦區(qū)的作用是相反的，這就使得當(dāng)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(fù)極下方的另一個腦區(qū)被抑制，而這種抑制作用對實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(zhǔn)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(shí)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(dá)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(shí)際中都未被廣泛使用，根本原因在于其設(shè)計(jì)原理只是簡單地將單通道進(jìn)行數(shù)量上的擴(kuò)容。原本單通道tDCS就存在著空間聚焦性較差的缺點(diǎn)，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(qiáng)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(qiáng)度均為固定值，無法通過對刺激參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置來產(chǎn)生復(fù)雜的刺激模式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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(diǎn)，本發(fā)明提出一種全新的tDCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括tDCS刺激裝置和控制方法。本發(fā)明方案可以根據(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(diǎn)，其刺激定位準(zhǔn)確，并可定制復(fù)雜刺激。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(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(dú)立的控制單元連接，各通道電極極性以及電流強(qiáng)度由這些獨(dú)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(qiáng)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(qiáng)度。一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置的控制方法，對于用戶指定的刺激模 式，系統(tǒng)可自動生成各個通道tDCS電極的刺激參數(shù)，具體步驟如下
O首先利用MRI建立頭顱電磁模型利用閾值法從人體頭顱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(yùn)用有限差分法來進(jìn)行人體頭顱電磁模型的建模將該頭顱立體結(jié)構(gòu)分割成等邊長的小立方體元素，每一個立方體元素的電磁特性用并聯(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)采用基準(zhǔn)點(diǎn)法和表面匹配法的加權(quán)結(jié)合法來實(shí)現(xiàn)tDCS電極陣列與頭顱電磁模型的配準(zhǔn)，具體步驟如下
a)利用數(shù)字定位儀器獲取被試者所在坐標(biāo)系中的tDCS電極陣列坐標(biāo)和被試者頭部生理基準(zhǔn)點(diǎn)LPA、RPA、Nz坐標(biāo)；
b)利用步驟a)中所獲得的tDCS電極陣列的坐標(biāo)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(zhǔn)點(diǎn)和頭皮形狀；
d)利用c)中抽出生理基準(zhǔn)點(diǎn)和頭皮形狀，對tDCS電極陣列坐標(biāo)系與MRI圖像坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)，以獲得tDCS電極陣列坐標(biāo)系與MRI圖像坐標(biāo)系之間的全局最優(yōu)變換矩陣；先利用基準(zhǔn)點(diǎn)配準(zhǔn)法對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，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(zhǔn)點(diǎn)和頭皮形狀實(shí)施基準(zhǔn)點(diǎn)法配準(zhǔn)和表面匹配法配準(zhǔn)，并將兩種方法加權(quán)結(jié)合形成綜合評判準(zhǔn)則，通過迭代最近點(diǎn)算法計(jì)算得到tDCS電極陣列坐標(biāo)系與MRI圖像坐標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行tDCS刺激模型的建模首先逐個計(jì)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(dú)施加單位電壓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，建立如式(I)中所示tDCS刺激模型
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(dú)立的控制單元連接，各通道電極極性以及電流強(qiáng)度由這些獨(dú)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(qiáng)度范圍為±5000 MA。
3.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，其特征在于所述控制單元用于控制電極的極性和電流強(qiáng)度。
4.一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置的控制方法，其特征在于對于用戶指定的刺激模式，系統(tǒng)可自動生成各個通道tDCS電極的刺激參數(shù)，具體步驟如下 1)首先利用MRI建立頭顱電磁模型利用閾值法從人體頭顱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(yùn)用有限差分法來進(jìn)行人體頭顱電磁模型的建模將該頭顱立體結(jié)構(gòu)分割成等邊長的小立方體元素，每一個立方體元素的電磁特性用并聯(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)采用基準(zhǔn)點(diǎn)法和表面匹配法的加權(quán)結(jié)合法來實(shí)現(xiàn)tDCS電極陣列與頭顱電磁模型的配準(zhǔn)，具體步驟如下 a)利用數(shù)字定位儀器獲取被試者所在坐標(biāo)系中的tDCS電極陣列坐標(biāo)和被試者頭部生理基準(zhǔn)點(diǎn)LPA、RPA、Nz坐標(biāo)； b)利用步驟a)中所獲得的tDCS電極陣列的坐標(biāo)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(zhǔn)點(diǎn)和頭皮形狀； d)利用c)中抽出生理基準(zhǔn)點(diǎn)和頭皮形狀，對tDCS電極陣列坐標(biāo)系與MRI圖像坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)，以獲得tDCS電極陣列坐標(biāo)系與MRI圖像坐標(biāo)系之間的全局最優(yōu)變換矩陣；先利用基準(zhǔn)點(diǎn)配準(zhǔn)法對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，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(zhǔn)點(diǎn)和頭皮形狀實(shí)施基準(zhǔn)點(diǎn)法配準(zhǔn)和表面匹配法配準(zhǔn)，并將兩種方法加權(quán)結(jié)合形成綜合評判準(zhǔn)則，通過迭代最近點(diǎn)算法計(jì)算得到tDCS電極陣列坐標(biāo)系與MRI圖像坐標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行tDCS刺激模型的建模首先逐個計(jì)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(dú)施加單位電壓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，建立如式(I)中所示tDCS刺激模型J{x, y, = 2 m J1 (x, v5 z)(I)2=1其中，Ji(HZ)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，J(x,y,z)代表電極陣列所有電極產(chǎn)生的合成電流，,代表各個電極上的加權(quán)系數(shù)，N代表tDCS通道數(shù)；4)基于tDCS刺激模型，進(jìn)一步建立刺激參數(shù)優(yōu)化模型當(dāng)刺激某些特定腦區(qū)，即指定腦內(nèi)電流分布(HZ)后，使式(2)所示目標(biāo)函數(shù)最小,從而求得各個電極系數(shù) j的最優(yōu)化解，采用遺傳算法對A進(jìn)行最優(yōu)化求解
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高聚焦性多通道經(jīng)顱直流電刺激裝置和控制方法，包括tDCS電極陣列、電源與控制單元，該電極陣列中各通道電極與電源之間分別通過獨(dú)立的控制單元連接，各通道電極極性以及電流強(qiáng)度由這些獨(dú)立的控制單元分別控制；tDCS電極陣列集成為電極帽形式。本發(fā)明方案可以根據(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。本發(fā)明tDCS系統(tǒng)具有覆蓋全頭、高聚焦性、多通道等優(yōu)點(diǎn)，其刺激定位準(zhǔn)確，并可定制復(fù)雜刺激。
文檔編號A61N1/20GK102698360SQ20121011875
公開日2012年10月3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)明者吳文, 康煒, 楊國, 王建朋, 葛盛, 陳戟 申請人:南京理工大學(xué)