專利名稱：基于腦電波的神經疾病理療儀及其使用方法
技術領域：
本發明涉及醫療保健器械，特別是一種基于腦電波的神經疾病理療儀及其使用方法。
背景技術：
腦神經系統疾病的異常很多時間是以腦電波信號異常為特征的。例如癲癇病就是由于大腦神經元異常，導致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病。癲癇發作(印il印tic seizure)時，腦神經元會異常且過度超同步化放電，由于異常放電的神經元在大腦中的部位不同。目前，在醫學上治療大腦神經元異常的常規方法多為藥物治療、手術治療。在很多情況下，藥物治療對于異常腦神經效果有限，而且長期使用藥物不僅使人產生抗藥性，以致藥物劑量不斷增加，而且對人體還產生副作用，并且還要不斷消耗財力。以癲癇為例，患者需長期服用苯巴比妥、苯妥英鈉、卡馬西平、丙戊酸鈉等常用的抗癲癇藥，帶有全身強直陣攣發作的癲癇病患者還需另行靜脈注射安定或異戊巴比妥鈉。對藥物治療無效的難治性癲癇需使用立體定向術破壞腦內與癲癇發作的有關區域，胼胝體前部切開術或慢性小腦刺激術，眾所周知，手術風險大，成本高，康復療程長。對于先天性或部分后天性智障患者，目前醫學還尚未出現有效治療手段。

發明內容
本發明的目的是針對目前腦神經系統疾病治療方法存在的不足，而提供一種基于腦電波的神經疾病理療儀及其使用方法，本理療儀治療效果好，對患者無任何痛苦和副作用。實現本發明目的的技術方案是
根據磁場、電場等外界刺激可以誘導腦電波與之電場同步，即是說來自外界的刺激可以影響腦電活動的原理，設計一種腦電波神經病理療儀，使其模擬產生的腦電波電場或磁場，對于人的大腦的異常電信號則對其抑制使其無法聚集，同時誘導異常腦電信號恢復正常水平，可以達到控制腦神經系統疾病發作次數，從而達到治療的目的。本發明基于腦電波的神經疾病理療儀，由處理器和與處理器分別連接的用戶接口、數據接口、LCD、腦信號采集電路、存儲單元、治療腦電波形成電路構成。本理療儀處理器軟件程序為輸入患者編號后，腦電信號采集，如是正常腦電波信號，將其正常腦電波信號保存；如不是正常腦電波信號，則要進行病理特征識別，識別后配置刺激方案，刺激方案、刺激參數查表得出，再經過治療腦電波數據的計算，數據輸出到治療腦電波形成電路。所述的腦信號采集電路由前置放大電路、帶通濾波及放大電路、光電耦合電路、 ADC電路順序連接組成，再與處理器連接。所述的存儲單元由與處理器連接的Flash、SRAM組成。所述的腦電波信號形成電路由波形產生電路、放大電路、耦合線圈順序連接組成，再與處理器連接。本理療儀的使用方法是
(1)定義N組腦電波信號刺激配置方案，每一組配置方案對應腦神經系統疾病的治療方法，其主要含有如下參數信號強度、頻率、持續時間等，形成刺激配置方案編號到刺激參數的查找表；
(2)用現有腦電信號處理的方法提取、定義N種不同腦電信號特征，每一種特征對應于一種腦神經系統疾病，腦電信號特征編號與腦電波信號刺激方案配置方案編號形成一一對應的關系；
(3)腦電波的頻率和波形因人因病而異，因此針對每一位受試患者，需要腦電波信號采集電路采集其正常狀態下腦電波信號并與受試患者的編號對應保存；對于智障等一些疾病的治療，則可以預先采集其他正常人腦電波信號保存；
(4)實時采集病情正在發作患者的腦電波信號，處理器分析其病理特征，得出步驟(2) 中定義的腦電信號的特征類別，也就是診斷出患者疾病類型；
(5)由步驟(4)得到的腦電信號的特征類別，將腦電信號的特征編號一一對應了腦電波信號刺激配置方案編號，因此，由腦電信號的特征編號得到一組包含信號強度、頻率、持續時間在內的刺激參數；
(6)由受試患者的編號可得到(3)中患者正常狀態下采集保存的正常腦電波信號或預先保存的其他正常人腦電波信號；
(7)利用步驟(5)得到的腦電波信號刺激參數，對步驟(6)的腦電波信號進行處理得到治療腦電波；
(8)步驟(7)得到的治療腦電波送到相應電極或電磁線圈，產生電磁場，電磁場通過置于頭皮上的電極作用于患者，電磁場對于當前受試患者的異常腦電信號有抑制作用，同時會誘導異常腦電信號恢復正常水平，從而消除病理過程，恢復身心健康。本發明方法的優點是具體患者具體治療自動病理判斷識別，能夠根據病理判斷識別結果自動產生治療脈沖，針對性強針，直觀有效，時間短，治療目的明確，而且屬于非侵入式治療，對患者無任何痛苦和副作用。


圖1為本理療儀的結構示意圖2為本理療儀處理器的軟件流程框圖； 圖3為本發明腦電波信號采集電路框圖； 圖4為本發明治療腦電波信號形成電路框圖； 圖5為本發明腦電波信號前置放大電路框圖； 圖6為本發明腦電波信號帶通濾波及放大電路框圖； 圖7為本發明腦電波信號光電耦合電路框圖； 圖8為本發明腦電波信號ADC電路框圖； 圖9為本發明腦電波信號存儲單元電路框圖； 圖10為本發明治療腦電波波形產生電路框圖； 圖11為本發明治療腦電波放大電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的結構作進一步的闡述。本發明基于腦電波的神經疾病理療儀，由處理器和與處理器分別連接的用戶接口、數據接口、LCD、腦信號采集電路、存儲單元、治療腦電波形成電路構成。所述的處理器采用STM32F103VBT6作為主控芯片，STM32F103VBT6是一款中容量增強型的，基于32位的ARM Cortex-M3的帶64或128K字節閃存的微處理器。它工作頻率最高達72MHz，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMipS/MHz。它具有豐富的片內資源， 例如實時時鐘、定時器、通用I /0接口、DMA控制器、A /D轉換器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN總線接口還包括20K字節的片內SRAM以及一個支持USB2 . 0規范的全速USB外圍設備等等。STM32系列產品得益于Cortex-M3在架構上進行的多項改進，包括提升性能的同時又提高了代碼密度的Thumb-2指令集，大幅度提高的中斷響應，而且所有新功能都同時具有業界最優的功耗水平，該系列產品具有出色的實時性能，最大的集成特性，易于開發， 其外設和軟件具有高度兼容性，為設計提供最大的靈活性。所述的腦信號采集電路由前置放大電路、帶通濾波及放大電路、光電耦合電路、 ADC電路順序連接組成，再與處理器連接。前置放大電路如圖5所示，該電路由兩個同相并聯結構的前置放大電路級聯而成，由于隔直電容與R3串聯，前置級第一級電路的放大增益不可能設置得很高，采用 INA121作為第一級放大電路主要是從成本上考慮，INA121可調放大增益和共模抑制比要低于INA128，所以圖中采用了浮地跟蹤電路進一步提高第一級電路的共模抑制比。由圖可以計算出電路的放大倍數和共模抑制比。由于腦電信號源的高阻抗，干擾極易通過腦電極進入兩輸入端，由于兩輸入端阻抗總是不平衡的，共模干擾轉化為差模干擾，把輸入端的接地端浮置并跟蹤共模電壓，即相當于器件的偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓。這樣，共模電壓不能隨著信號一起被放大，從而放大器輸出端產生的共模誤差電壓被大大削弱，也即相當于提高了放大器的共模抑制能力。帶通濾波及放大電路如圖6所示，帶通濾波由雙運放集成電路0P2177構成， 0P2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性。兩個運放設計為高通和低通濾波器并組合成帶通濾波，為不損失其高頻成分，設計U3、C2、C3、R5、R7為高通濾波器，同理為不損失其低頻成分，設計U4、R6、R10、C4、C5為低通濾波器。放大電路由U5、R8、R9構成，考慮到腦電信號比較微弱，為毫伏級，而A/D轉換輸入信號要求電壓為IV左右，故整個放大電路的倍數大概為1000倍左右。而前置放大電路大概10倍左右，故本級放大倍數設計為100倍。光電耦合電路如圖7所示，光電耦合器將發光器Dl (紅外線發光二極管LED)與受光器Ql (光敏半導體管)封裝在同一管殼內，當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電一光一電”轉換。利用光電耦合電路的單向傳輸信號特性，使輸入端與輸入端完全實現電氣隔離，抗干擾能力強，傳輸效率高。ADC電路如圖8所示，本設計的ADC電路主要是利用STM32F103VBT6內嵌的ADC，該處理器里面內嵌2個12位的模擬/數字轉換器(ADC)，每個ADC共用多達16個外部通道，可以實現單次或掃描轉換。在掃描模式下，自動進行在選定的一組模擬輸入上的轉換， 轉換精度高，完全達到本發明精確性要求。如圖9所示，所述的存儲單元由與處理器連接的Flash、SRAM組成。本發明利用 STM32處理器的內置的Flash和SRAM來存儲數據和程序。程序存儲器，數據存儲器，寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個4GB的線性地址空間內。數據字節以小端格式存放在存儲器中。其中內置的Flash為64位的U8K，SRAM為20K，本發明采集到的數據，以及預先保存的參考數據及配置方案的數據均保留在Flash里，供處理器條用處理。內置的SRAM能使 CPU以0周期等待訪問(讀/寫)。所述的腦電波信號形成電路由波形產生電路、放大電路、耦合線圈順序連接組成， 再與處理器連接。如圖10所示，波形產生電路的控制部分由ARM STM32F103VBT6處理器完成。它負責把從ADC轉換的數據或初始設定的數據進行處理，得到頻率設定值和計數器的控制參數，并且頻率設定值發送給AD9850，交其處理。AD9850的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個相位累加器組成，每來一個時鐘，相位寄存器以步長增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表上地址上。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度的數字量信號，驅動DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經過2N/M (M稱為頻率控制字，N為相位寄存器的位數)個時鐘周期后回到初始狀態，相應的正弦查詢表經過一個循環回到初始位置，整個波形產生電路輸出一個正弦波。如圖11所示，由于波形產生電路的輸出信號比較弱，所以得在輸出級使用放大電路來放大信號，以滿足要求。因為放大電路的暑促信號高次諧波成分很高，所以要得到比較好的輸出波形，首先要求放大器具有很高的頻寬，另外，要帶動低阻負載，放大器的電流輸出能力也是個重要的參數。鑒于以上幾點，本發明采用的是電流型運輸放大器AD811，其單位增益帶寬很寬，± 12供電，增益為+10的情況下，-3dB帶寬達100MHz，非常適合本系統的寬帶放大要求，外圍電路也簡單。放大電路之后再經過耦合線圈可以提高信號的共模抑制比，濾掉無用的信號成分，從而使波形更加完整，更加接近本發明的要求。治療實施例
以癲癇病患者治療為例，本發明的理療儀內部已經存儲有癲癇病腦電信號特征數據， 同時用于癲癇病治療的腦電波信號刺激參數。首先，在癲癇病患者正常狀態時，通過用戶接口設定理療儀為正常腦電信號采集方式，對癲癇病患者進行腦電波信號采集并對應于患者編號存儲，采集結束后理療儀自動轉為治療模式。當患者癲癇發作時，被采集的腦電信號被理療儀內部的處理器進行病理特征提取。處理器通過特征判決得到癲癇病腦電信號特征編號，并以特征編號為查找表依據，得到用于癲癇病治療的腦電波信號刺激參數，利用刺激參數和腦信號處理的方法計算出治療用的腦電波數據。腦電波數據被送到波形形成電路，得到既具有抑制異常腦電信號聚集的作用，又可誘導異常腦電信號恢復正常水平的治療腦電波，此治療腦電波可通過電極對癲癇病發作者進行刺激治療。
權利要求
1.一種基于腦電波的神經疾病理療儀，其特征是由處理器和與處理器分別連接的用戶接口、數據接口、LCD、腦信號采集電路、存儲單元、治療腦電波形成電路組成。
2.根據權利要求1所述的理療儀，其特征是本理療儀處理器軟件程序為輸入患者編號后，腦電信號采集，如是正常腦電波信號，將其正常腦電波信號保存；如不是正常腦電波信號，則要進行病理特征識別，識別后配置刺激方案，刺激方案、刺激參數查表得出，再經過治療腦電波數據的計算，數據輸出到治療腦電波形成電路。
3.根據權利要求1所述的理療儀，其特征是所述的腦信號采集電路由前置放大電路、 帶通濾波及放大電路、光電耦合電路、ADC電路順序連接組成，再與處理器連接。
4.根據權利要求1所述的理療儀，其特征是所述的腦電波信號形成電路由波形產生電路、放大電路、耦合線圈順序連接組成，再與處理器連接。
5.基于腦電波的神經疾病理療儀的使用方法，包括如下步驟(1)定義N組腦電波信號刺激配置方案，每一組配置方案對應腦神經系統疾病的治療方法，其主要含有如下參數信號強度、頻率、持續時間等，形成刺激配置方案編號到刺激參數的查找表；(2)用現有腦電信號處理的方法提取、定義N種不同腦電信號特征，每一種特征對應于一種腦神經系統疾病，腦電信號特征編號與腦電波信號刺激方案配置方案編號形成一一對應的關系；(3)腦電波的頻率和波形因人因病而異，因此針對每一位受試患者，需要腦電波信號采集電路采集其正常狀態下腦電波信號并與受試患者的編號對應保存；對于智障等一些疾病的治療，則可以預先采集其他正常人腦電波信號保存；(4)實時采集病情正在發作患者的腦電波信號，處理器分析其病理特征，得出步驟(2) 中定義的腦電信號的特征類別，也就是診斷出患者疾病類型；(5)由步驟(4)得到的腦電信號的特征類別，將腦電信號的特征編號一一對應了腦電波信號刺激配置方案編號，因此，由腦電信號的特征編號得到一組包含信號強度、頻率、持續時間在內的刺激參數；(6)由受試患者的編號可得到(3)中患者正常狀態下采集保存的正常腦電波信號或預先保存的其他正常人腦電波信號；(7)利用步驟(5)得到的腦電波信號刺激參數，對步驟(6)的腦電波信號進行處理得到治療腦電波；(8)步驟(7)得到的治療腦電波送到相應電極或電磁線圈，產生電磁場，電磁場通過置于頭皮上的電極作用于患者，電磁場對于當前受試患者的異常腦電信號有抑制作用，同時會誘導異常腦電信號恢復正常水平，從而消除病理過程，恢復身心健康。
全文摘要
本發明提供了一種基于腦電波的神經疾病理療儀及其使用方法，其特征是由處理器和與處理器連接的用戶接口、數據接口、LCD、腦信號采集電路、存儲單元、治療腦電波形成電路構成。本發明方法的優勢體現在具體患者具體治療自動病理判斷識別，能夠根據病理判斷識別結果自動產生治療脈沖，針對性強針，直觀有效，時間短，治療目的明確，而且屬于非侵入式治療，對患者無任何痛苦和副作用。
文檔編號A61N1/36GK102500058SQ201110332649
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者何富運, 劉俊秀, 宋樹祥, 羅曉曙, 閉金杰, 黃一平, 黃守麟 申請人:廣西師范大學