一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置和控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置和控制方法，包括tDCS电极阵列、电源与控制单元，该电极阵列中各通道电极与电源之间分别通过独立的控制单元连接，各通道电极极性以及电流强度由这些独立的控制单元分别控制；tDCS电极阵列集成为电极帽形式。本发明专利技术方案可以根据用户指定的刺激位置和类型，完成各通道刺激参数的自动优化，并最终生成满足用户要求的刺激。本发明专利技术tDCS系统具有覆盖全头、高聚焦性、多通道等优点，其刺激定位准确，并可定制复杂刺激。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物医学技术，特别涉及到一种新型经颅直流电刺激装置和控制方法。
技术介绍
经卢页直流电刺激(transcranialdirect current stimulation, tDCS)是一种非侵入性调节大脑皮层兴奋性的方法。在国外，系统研究tDCS始于20世纪60年代，随着最近对中枢神经系统的功能和病理的了解增加，tDCS在最近几年再度成为研究热点。tDCS将一对大小25-35 cm2的方形正负电极贴附于头颉表皮并导入10-20分钟的1_2 mA微弱直 流电流，tDCS的电流流动从正极到负极，一部分电流通过头皮，一部分通过大脑，通过刺激大脑皮层，调节大脑皮层兴奋性，研究显示tDCS正极下方脑区被激活，负极下方被抑制。目前，tDCS主要应用于认知科学和脑科学，同时在临床医学中应用于各种神经、精神疾病的诊断与治疗。现有的tDCS系统在在下列方面存在不足之处 a)现有的tDCS系统的电极的面积较大，一般为25-35 cm2的正方形电极。这样尺寸的电极决定被刺激的脑区面积也在25-35 cm2左右。当希望精确刺激某个微小面积的脑区时，必然无法避免地同时刺激了目标脑区周边的脑区。b)由于正负电极对于其下方的脑区的作用是相反的，这就使得当希望用正极去激活某一个脑区时，却会不可避免地造成负极下方的另一个脑区被抑制，而这种抑制作用对实验结果将造成难以控制的影响。c)现有的tDCS系统均无法精确定位tDCS刺激的脑区位置。目前绝大多数tDCS研究是利用10-20国际电极放置法来放置tDCS电极。10-20国际电极放置法是基于头卢页表面尺寸来标定电极位置，这种定位方法与大脑脑区没有精确的对应关系，因此，现有tDCS系统虽然可以定位tDCS电极位置，但均无法准确定位tDCS刺激的脑区位置。d)现有的tDCS系统多为单通道，无法在全头范围内实现高空间聚焦性的多通道刺激。目前一些tDCS制造商已经开发了多通道tDCS初级产品。如德国Neuro Conn公司的最新产品DC-SHMULAT0R MC最大可达16通道。美国Soterix医疗公司的4X1-C2 tDCS具有2通道刺激能力。但上述产品在实际中都未被广泛使用，根本原因在于其设计原理只是简单地将单通道进行数量上的扩容。原本单通道tDCS就存在着空间聚焦性较差的缺点，多通道tDCS由于电极数目的增加和相对位置的复杂化，各组电极之间的合成效应必然会造成tDCS电流的走向、强度、分布的复杂化，从而使得空间聚焦性更加恶化。e)现有的tDCS系统中电极的极性和电流强度均为固定值，无法通过对刺激参数进行优化配置来产生复杂的刺激模式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了解决现有tDCS系统具有的覆盖范围小、聚焦性差、通道数少、无法定制复杂刺激等缺点，本专利技术提出一种全新的tDCS系统，该系统包括tDCS刺激装置和控制方法。本专利技术方案可以根据用户指定的刺激位置和类型，完成各通道刺激参数的自动优化，并最终生成满足用户要求的刺激。本方案提出的tDCS系统具有覆盖全头、高聚焦性、多通道等优点，其刺激定位准确，并可定制复杂刺激。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置，包括tDCS电极阵列、电源与控制单元；其中，tDCS电极阵列为基于10-20国际电极放置法在头颅表面设置的多通道的圆形导电电极，该电极阵列中各通道电极与电源之间分别通过独立的控制单元连接，各通道电极极性以及电流强度由这些独立的控制单元分别控制；tDCS电极阵列集成为电极帽形式，采用导电膏作为tDCS电极阵列与皮肤之间的介质。所述电源为直流电电源，输出电压范围为±5 V，输出电流强度范围为±5000 μΑ。所述控制单元用于控制电极的极性和电流强度。一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置的控制方法，对于用户指定的刺激模 式，系统可自动生成各个通道tDCS电极的刺激参数，具体步骤如下 O首先利用MRI建立头颅电磁模型利用阈值法从人体头颅MRI 二维图像分割出各个组织，并在三维空间重构头颅各个组织的立体结构；运用有限差分法来进行人体头颅电磁模型的建模将该头颅立体结构分割成等边长的小立方体元素，每一个立方体元素的电磁特性用并联的电容和电阻来等效，电容和电阻值由立方体元素所属组织的电磁特性来决定; 2)采用基准点法和表面匹配法的加权结合法来实现tDCS电极阵列与头颅电磁模型的配准，具体步骤如下 a)利用数字定位仪器获取被试者所在坐标系中的tDCS电极阵列坐标和被试者头部生理基准点LPA、RPA、Nz坐标； b)利用步骤a)中所获得的tDCS电极阵列的坐标构建数字化头皮形状； c)利用图像处理方法从MRI图像中分别抽出生理基准点和头皮形状； d)利用c)中抽出生理基准点和头皮形状，对tDCS电极阵列坐标系与MRI图像坐标系进行配准，以获得tDCS电极阵列坐标系与MRI图像坐标系之间的全局最优变换矩阵；先利用基准点配准法对基准点进行配准，从而将变换矩阵的初值解移到全局最优解附近；再分别对基准点和头皮形状实施基准点法配准和表面匹配法配准，并将两种方法加权结合形成综合评判准则，通过迭代最近点算法计算得到tDCS电极阵列坐标系与MRI图像坐标系之间的全局最优变换矩阵； e)基于d)中所得到的变换矩阵，再利用I)中所述的由MRI转化到头颅电磁模型的方法，最终将tDCS电极阵列坐标映射到头颅电磁模型上； 3)在完成tDCS电极阵列和头颅电磁模型配准的基础之上，进行tDCS刺激模型的建模首先逐个计算各个电极的tDCS刺激在脑内的电流分布状况，利用有限差分法模拟各个电极单独施加单位电压tDCS刺激时其在脑内引起的电流分布，完成对各个tDCS电极刺激的电流分布模拟之后，建立如式(I)中所示tDCS刺激模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置，其特征在于包括tDCS电极阵列、电源与控制单元；其中，tDCS电极阵列为基于10-20国际电极放置法在头颅表面设置的多通道的圆形导电电极，该电极阵列中各通道电极与电源之间分别通过独立的控制单元连接，各通道电极极性以及电流强度由这些独立的控制单元分别控制；tDCS电极阵列集成为电极帽形式，采用导电膏作为tDCS电极阵列与皮肤之间的介质。2.根据权利要求I所述的高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置，其特征在于所述电源为直流电电源，输出电压范围为±5 V，输出电流强度范围为±5000 MA。3.根据权利要求I所述的高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置，其特征在于所述控制单元用于控制电极的极性和电流强度。4.一种高聚焦性多通道经颅直流电刺激装置的控制方法，其特征在于对于用户指定的刺激模式，系统可自动生成各个通道tDCS电极的刺激参数，具体步骤如下 1)首先利用MRI建立头颅电磁模型利用阈值法从人体头颅MRI二维图像分割出各个组织，并在三维空间重构头颅各个组织的立体结构；运用有限差分法来进行人体头颅电磁模型的建模将该头颅立体结构分割成等边长的小立方体元素，每一个立方体元素的电磁特性用并联的电容和电阻来等效，电容和电阻值由立方体元素所属组织的电磁特性来决定; 2)采用基准点法和表面匹配法的加权结合法来实现tDCS电极阵列与头颅电磁模型的配准，具体步骤如下 a)利用数字定位仪器获取被试者所在坐标系中的tDCS电极阵列坐标和被试者头部生理基准点LPA、RPA、Nz坐标； b)利用步骤a)中所获得的tDCS电极阵列的坐标构建数字化...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛盛，陈戟，王建朋，杨国，康炜，吴文，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：