一種記錄?刺激模式切換裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種記錄?刺激模式切換裝置，由開關切換單元、偽跡消除單元、微控制器單元及接口單元組成。開關切換單元主要包括切換模擬開關芯片，用于對信號記錄通道和刺激輸入通道作模式切換；偽跡消除單元主要包括放電模擬開關芯片，模擬開關一側與電極通道接口連接，另一側接地。微控制器單元主要由微處理器及外圍器件線路構成，實現(xiàn)本裝置與外部設備通訊及對所述模擬開關芯片的切換控制。接口單元包含供電接口、通訊控制接口、電極通道接口、信號記錄接口以及刺激輸入接口，提供裝置工作電源及模式控制指令輸入等。本實用新型可完成閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)對信號通道的快速模式切換，實現(xiàn)對刺激偽跡的快速放電，可在體神經(jīng)信號的同步記錄和刺激中應用。
【專利說明】
一種記錄-刺激模式切換裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于醫(yī)療康復神經(jīng)調(diào)控領域，涉及一種用于閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的通道切換裝置，尤其涉及一種用于在體神經(jīng)實驗研究、面向植入式醫(yī)療康復神經(jīng)調(diào)控、閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的記錄-刺激模式切換裝置。
【背景技術】
[0002]在面向醫(yī)療康復的神經(jīng)調(diào)控(Neuromodulat 1n)領域，經(jīng)常會應用神經(jīng)電刺激的方法來進行輔助治療。例如，當前應用最為廣泛的一種神經(jīng)電調(diào)控方法一一深部腦刺激(Deep BrainStimulat1n,DBS)，它主要通過刺激脈沖發(fā)生器產(chǎn)生弱電脈沖，經(jīng)微電極刺激腦深部特定的神經(jīng)核團，以達到治療目的。DBS已經(jīng)在帕金森、癲癇、扭轉痙攣、運動障礙病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病上展示了明顯的治療作用。以深部腦刺激等為代表的神經(jīng)電調(diào)控技術將越來越廣泛地應用于癲癇、帕金森、抑郁等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療，已逐漸成為一種不可替代的神經(jīng)疾病治療手段。
[0003]盡管電刺激已經(jīng)被用于治療癲癇等疾病，但是常用的方法是手工給予一定頻率的電刺激，這種方法準確率低、反應慢，且系統(tǒng)功耗大。因此，為了解決這些問題，提高自動化程度，閉環(huán)式的反應性電刺激方法被提出。該技術應用檢測算法對腦電波形進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)具有病理特異性的神經(jīng)電生理信號時(如癲癇中的癇樣發(fā)作)，即刻用一定頻率和幅值的電刺激對神經(jīng)系統(tǒng)進行干預，從而抑制病理過程的發(fā)展，達到治療的效果。因此，亦被稱為反應性神經(jīng)電刺激系統(tǒng)。整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)癲癇等疾病的自動檢測預警和電刺激抑制。目前，閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)仍有幾個關鍵的技術難點仍待突破?，F(xiàn)有的神經(jīng)電刺激與記錄系統(tǒng)大多體積龐大，不具備便攜性，對于臨床醫(yī)療和科研實驗而言，需要對神經(jīng)電刺激與記錄系統(tǒng)進行簡化和集成;特別的，在很多情況下同一電極下既要完成神經(jīng)電信號記錄，又要用于神經(jīng)電刺激，這就需要電極要在記錄模式和刺激模式之間進行高速切換；同時每次電刺激完成之后，電極上周圍的組織都會形成一定的累積電荷，并在后續(xù)的記錄上形成刺激偽跡，導致神經(jīng)信號記錄受到影響，積累的電荷甚至會使后端信號放大器進入飽和狀態(tài)，導致神經(jīng)信號在一段時間內(nèi)無法記錄。
[0004]因此需要一個特定裝置來實現(xiàn)系統(tǒng)模式的高速切換和電刺激偽跡的消除，減少對神經(jīng)信號記錄及實驗人員對信號觀察分析的干擾，有效提高閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)通道的開關切換效率和預警準確率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供用于閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的記錄-刺激模式切換裝置。解決目前閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)中存在的模式切換、電刺激偽跡消除以及裝置需要進行小型化等問題。
[0006]本實用新型提供的一種記錄-刺激模式切換裝置，主要由開關切換單元、偽跡消除單元、微控制器單元以及接口單元四個部分組成，開關切換單元主要包括切換模擬開關芯片，偽跡消除單元主要包括放電模擬開關芯片，微控制器單元主要包括微處理器。
[0007]進一步地，所述開關切換單元主要包括切換模擬開關芯片，其中信號記錄接口及刺激輸入接口與模擬開關的一側相連，電極通道接口與模擬開關的另一側相連，I/O控制指令線與切換模擬開關芯片連接;所述偽跡消除單元主要包括放電模擬開關芯片，模擬開關一側與電極通道接口連接，另一側接地;所述的開關切換單元和偽跡消除單元中，分別用于開關切換單元和偽跡消除單元的模擬開關器件;用于給所述模擬開關器件傳遞切換控制信號的I/O控制指令線。
[0008]進一步地，所述微控制器單元主要包含微處理器、供電部分、通訊部分、I/O輸出控制部分、運行狀態(tài)指示部分;所述的微處理器主要實現(xiàn)本裝置與外部設備通訊及對所述模擬開關芯片的切換控制;通訊部分集成于所述微處理器內(nèi)部，用于接收裝置外部設備的數(shù)據(jù)及控制指令;I/o輸出控制部分用于實現(xiàn)對開關切換單元和偽跡消除單元模擬開關的切換選擇控制及開關芯片的工作使能;運行狀態(tài)指示部分通過所述微控制器控制驅(qū)動，用于指示本實用新型裝置的系統(tǒng)運行狀態(tài)。
[0009]進一步地，所述接口單元主要包含信號記錄接口、刺激輸入接口、電極通道接口、通訊控制接口以及供電接口，主要為了提供開關芯片及微處理器工作電源及模式控制指令輸入等。
[0010]使用本實用新型的系統(tǒng)模式切換裝置，對系統(tǒng)進行工作模式的切換以及對刺激引起的累積電荷實現(xiàn)快速放電通過以下步驟實現(xiàn):
[0011]主要包括用于對所述微處理器設置切換時間參數(shù)的參數(shù)設置步驟;用于與系統(tǒng)外部設備進行通訊交互的通訊步驟;用于在微處理器接收控制指令后，產(chǎn)生開關選擇信號、切換控制模式的模式選擇步驟;用于開關切換單元完成通道時序切換的步驟，以及用于在偽跡消除單元完成通道切換放電的步驟。其中，用于開關切換單元完成通道時序切換的步驟，以及用于在偽跡消除單元完成通道切換放電的步驟包括如果所述微處理器判斷未收到刺激指令，則裝置一直維持神經(jīng)信號記錄模式;如果所述微處理器判斷收到需要對某通道進行刺激指令，則由所述微處理器按照接收的控制指令，直接控制開關切換單元，將需要進行刺激的通道由預置記錄通道切換到刺激通道，即進入刺激輸入模式;判斷刺激完成之后，由所述微處理器產(chǎn)生切換信號控制所述偽跡消除單元進行切換接地放電，將刺激通道切換回原記錄通道，等待一段時間的放電完成之后，斷開接地放電通路，即回到神經(jīng)信號記錄模式。
[0012]相對于現(xiàn)有技術，本實用新型具有以下優(yōu)點:(I)該裝置的開關切換部分使用高速模擬開關芯片，切換速度快；(2)針對刺激之后存在通道電荷累積飽和的現(xiàn)象，加入了偽跡消除單元，減少其對實驗分析的干擾，間接提高了切換效率以及預警準確率；(3)該裝置運行模式參數(shù)可以根據(jù)實驗需要進行修改，以適應不同的實驗范式；(4)該裝置結構簡單，小型化，可實現(xiàn)與現(xiàn)有神經(jīng)信號和電刺激系統(tǒng)的集成。本實用新型裝置是一種用于閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的通道切換裝置，可完成閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)對信號通道的快速模式切換，實現(xiàn)對刺激偽跡的快速放電，可用于在體神經(jīng)信號的同步記錄和刺激。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型模式切換裝置結構示意框圖。
[0014]圖2為本實用新型裝置系統(tǒng)各部件連接示意圖。
[0015]圖3為本實用新型開關切換單元與偽跡消除單元的電路連接原理圖。
[0016]圖4為本實用新型微控制器的一種實施方式結構框圖。
[0017]圖5為本實用新型微控制器單元的電路原理圖。
[0018]圖6為本實用新型實驗過程流程圖。
【具體實施方式】
[0019]本實用新型結合附圖和實施例作進一步的說明。
[0020]實施例1
[0021]參見圖1，本實用新型的用于閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的一種記錄-刺激模式切換裝置，由開關切換單元1、偽跡消除單元2、微控制器單元3、接口單元4組成，開關切換單元I主要包括切換模擬開關芯片5，偽跡消除單元2主要包括放電模擬開關芯片6，微控制器單元3主要包括微處理器7。
[0022]圖1顯示的是針對8通道的切換裝置結構示意框圖。本實用新型可通過增加模擬開關芯片的數(shù)量來擴展參與切換的通道數(shù)。本實用新型的一個應用實例采用4組圖1中的模擬開關芯片，將裝置擴展為32通道。
[0023]參見圖2，為本實用新型裝置系統(tǒng)各部件連接示意圖。圖中給出了開關切換單元1、偽跡消除單元2與微控制器單元3及接口單元4各部件之間的連接關系。其中，開關切換單元
1、偽跡消除單元2通過I/O控制指令線13與微控制器單元3連接;開關芯片及微處理器的工作電源主要由供電接口 12提供，即正負15V和3.3V，本模式切換裝置工作運行時，其供電均由閉環(huán)電調(diào)控系統(tǒng)主設備供電；開關切換選擇、控制模式等指令輸入主要由通訊控制接口11提供;另外，大腦植入式微電極接口與電極通道接口 10連接;裝置外部神經(jīng)信號采集處理系統(tǒng)與信號記錄接口 8連接;本裝置外部刺激器系統(tǒng)輸出與刺激輸入接口 9連接。
[0024]參見圖3，為本實用新型開關切換單元I與偽跡消除單元2的電路連接原理圖。圖示只給出針對8通道的開關切換單元及電荷放電單元的電路原理圖。本實用新型模式切換裝置的一個應用實例采用4組圖3中的模擬開關電路，即本實用新型裝置可實現(xiàn)32路閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的模式切換。由于每次通道刺激完成之后，往往伴隨刺激電荷的累積，甚至出現(xiàn)電荷飽和的現(xiàn)象，需要較長的時間才能恢復到真實神經(jīng)信號狀態(tài)，在信號的波形中表現(xiàn)出較長的放電偽跡，對其他記錄通道記錄的信號質(zhì)量造成較大影響，也極大的干擾了神經(jīng)信號記錄及實驗人員等對信號的觀察分析，并且間接降低了閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的通道的開關切換效率和預警準確率，所以本實用新型裝置特意加入了刺激偽跡消除單元。
[0025]圖3中所示，每一組包含三片模擬開關芯片，其中的模擬開關芯片亦可以由其他模擬開關器件來實現(xiàn)。本實用新型應用實例中，每一組的開關切換單元I，采用兩片ADG1434芯片，每片擁有四組單刀雙擲模擬開關，能實現(xiàn)刺激通道與信號記錄通道之間的高速切換;而每一組偽跡消除單元2，采用一片ADG1208芯片，每片擁有一組單刀八擲模擬開關，實現(xiàn)對刺激完成后通道累積電荷的快速接地放電，達到迅速消除信號波形偽跡的效果。所述開關切換單元模擬開關芯片5，其中信號記錄接口 8以及刺激輸入接口 9與模擬開關的一側相連，電極通道接口 10與模擬開關的另一側相連，I/O控制指令線13與模擬開關芯片連接;所述偽跡消除單元模擬開關芯片6，模擬開關一側與電極通道接口 10連接，另一側接地。即實際的操作過程中，電刺激偽跡的消除是將刺激電荷累積通道進行快速接地放電方式實現(xiàn)的。
[0026]參見圖4，給出了本實用新型微控制器單元3的一種實施方式。微控制器單元3主要包括微處理器、供電部分、通訊部分、I/O輸出控制部分、運行狀態(tài)指示部分。其中，通訊部分實現(xiàn)外部設備與微處理器之間的數(shù)據(jù)及控制指令的輸入通訊；I/O輸出控制部分是由微處理器直接控制操作，實現(xiàn)對開關切換單元I和偽跡消除單元2模擬開關的切換選擇控制及開關芯片的工作使能;運行狀態(tài)指示部分為幾個不同顏色的LED指示燈，作為對系統(tǒng)運行狀態(tài)的指示。
[0027]參見圖5，為本實用新型微控制器單元3的電路原理圖。其中微處理器可以由AVR單片機、MSP430單片機、ARM微控制器或其他處理器來實現(xiàn)?？紤]成本和需求，本實用新型的一個應用實例采用高性能的Atmegal28系列的AVR單片機實現(xiàn)。微處理器主要有兩個任務:一是等待外部設備發(fā)送過來的模式選擇控制指令，決定相應的輸出控制方式;二是根據(jù)輸出控制方式，利用I/O輸出控制部分輸出相應的電平到開關切換單元I或者偽跡消除單元2。其中，微處理器7與外部設備的通訊采用的是I2C總線來實現(xiàn)。切換模擬開關芯片5、放電模擬開關芯片6通過I/O控制指令線13與微處理器7的I/O輸出控制部分連接，I/O輸出控制端口設置為輸出模式，通過I/O輸出控制端口輸出高低電平進行對開關芯片進行工作使能及切換控制。
[0028]本實用新型裝置的工作過程說明如下:本實用新型是一種用于閉環(huán)神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)的模式切換裝置，需要與神經(jīng)電調(diào)控系統(tǒng)配合連接使用。在系統(tǒng)工作運行之前，先將本裝置的信號記錄接口 8、刺激輸入接口 9、通訊控制接口 11及供電接口 12等與外部電調(diào)控系統(tǒng)進行對接，接著將本裝置的電極通道接口 10與大腦植入式微電極接口進行連接。參照圖6所示，給出了本實用新型裝置實驗工作流程。首先將本實用新型裝置上電，并對系統(tǒng)的相關參數(shù)進行設置輸入，其中參數(shù)主要包括通道模式的選擇、開關切換及放電延時的時間等。
[0029]正常情況下，如果本裝置所述微處理器7判斷未接收到外部刺激指令，即不需要進行刺激，則裝置一直維持神經(jīng)信號記錄模式，綠色LED亮進行信號記錄模式指示。如果本裝置所述微處理器7判斷收到需要對某通道進行刺激的指令，即模式選擇控制指令，則第一步由本裝置的微處理器7判斷通道選擇與切換相關數(shù)據(jù)信息，并決定相應的通道切換控制方式，然后根據(jù)相應的控制方式，利用I/O控制指令線13輸出相應的電平到開關切換部分I。接著，開關切換部分I會將需要進行刺激的通道由預置記錄通道切換到刺激通道，其他通道保持記錄狀態(tài)不變，即進入刺激輸入模式，紅色LED亮進行刺激輸入模式指示。第二步，當刺激完成之后，同樣由外部電調(diào)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令到本裝置的微處理器7，微處理器7判斷接收刺激完成指令，同樣利用I/O控制指令線13輸出相應的電平到開關切換部分I和偽跡消除單元2，由偽跡消除單元2切換選擇相應的刺激通道并接通到地，開關切換部分I相應通道由刺激通道切換回原預置記錄通道。偽跡消除單元2經(jīng)過一定時間延時，等待累積電荷放電過程的完成，紅、綠色LED均亮進行延時放電模式指示。第三步，當放電完成，微處理器7控制偽跡消除單元2，將接通到地的放電通路斷開。至此，本實用新型裝置切換回到初始持續(xù)神經(jīng)信號記錄模式。
【主權項】
1.一種記錄-刺激模式切換裝置，其特征在于，由開關切換單元(1)、偽跡消除單元(2)、微控制器單元(3)以及接口單元(4)四個部分組成，開關切換單元(I)主要包括切換模擬開關芯片(5)，偽跡消除單元(2)主要包括放電模擬開關芯片(6)，微控制器單元(3)主要包括微處理器(7)。2.根據(jù)權利要求1所述的一種記錄-刺激模式切換裝置，其特征在于，所述開關切換單元(I)主要包括切換模擬開關芯片(5)，其中信號記錄接口(8)及刺激輸入接口(9)與模擬開關的一側相連，電極通道接口(10)與模擬開關的另一側相連，I/O控制指令線(13)與切換模擬開關芯片(5)連接;所述偽跡消除單元(2)主要包括放電模擬開關芯片(6)，模擬開關一側與電極通道接口(10)連接，另一側接地;所述的開關切換單元(I)和偽跡消除單元(2)中，分別用于開關切換單元(I)和偽跡消除單元(2)的模擬開關器件，用于給所述模擬開關器件傳遞切換控制信號的I/O控制指令線(13)。3.根據(jù)權利要求1所述的一種記錄-刺激模式切換裝置，其特征在于，所述微控制器單元(3)主要包括微處理器(7)、供電部分、通訊部分、I/O輸出控制部分、運行狀態(tài)指示部分；所述的微處理器(7)主要實現(xiàn)本裝置與外部設備通訊及對所述模擬開關芯片的切換控制；通訊部分集成于所述微處理器內(nèi)部，用于接收裝置外部設備的數(shù)據(jù)及控制指令;I/O輸出控制部分用于實現(xiàn)對開關切換單元(I)和偽跡消除單元(2)模擬開關的切換選擇控制及開關芯片的工作使能;運行狀態(tài)指示部分通過所述微控制器控制驅(qū)動，用于指示本裝置的系統(tǒng)運行狀態(tài)。4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種記錄-刺激模式切換裝置，所述接口單元(4)主要包含信號記錄接口( 8)、刺激輸入接口( 9)、電極通道接口( 1 )、通訊控制接口( 11)以及供電接口(12)，用于提供開關芯片及微處理器工作電源及模式控制指令輸入。
【文檔編號】A61N1/36GK205683403SQ201620399300
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月4日 公開號201620399300.6, CN 201620399300, CN 205683403 U, CN 205683403U, CN-U-205683403, CN201620399300, CN201620399300.6, CN205683403 U, CN205683403U
【發(fā)明人】萬瑾, 張韶岷, 郝耀耀, 許科帝, 鄭筱祥
【申請人】浙江大學