[发明专利]一种体外经颅磁刺激的神经效应评价装置

摘要

本发明公开了一种体外经颅磁刺激神经效应评价装置。该装置包括经颅磁刺激器、刺激线圈、神经组织培养模块、动作电位传感模块、信号处理和控制模块。经颅磁刺激器和刺激线圈产生大功率经颅磁刺激序列，作用在神经组织培养模块维持生存的体外神经组织上，电压传感器将刺激在神经组织上产生的感应电场信号和神经信号经过放大电路调理放大，在逻辑控制电路控制下，通过模数转换电路输入计算机，信号处理和控制模块在线识别神经信号和感应电场信号，对不同经颅磁刺激序列产生的神经效应和感应电场进行分析，分析结果反馈给刺激参数处理程序，再对经颅磁刺激参数进行优化，达到在体外对经颅磁刺激神经效应进行定量评价和改进优化的作用。

主权项

1.一种体外经颅磁刺激神经效应评价装置，其特征在于，所述装置包括：经颅磁刺激器，用于产生经颅磁刺激序列；与经颅磁刺激器相连的刺激线圈，用于传导经颅磁刺激序列并作用于神经组织；培养所述神经组织的神经组织培养模块；与所述神经组织相连的动作电位传感模块，用于放大刺激在神经组织上产生的感应电场信号和神经信号，并将信号输入计算机；与动作电位传感模块相连的信号处理和控制模块，用于在线识别神经信号和感应电场信号，对不同经颅磁刺激序列产生的神经效应和感应电场进行分析并优化；并将优化的参数反馈给经颅磁刺激器；以及所述信号处理和控制模块与所述经颅磁刺激器相连，其中，所述动作电位传感模块包括电压传感器，与电压传感器相连的放大电路，与放大电路相连的模数转换电路，以及与模数转换电路相连的逻辑控制电路；电压传感器将刺激在神经组织上产生的感应电场信号和神经信号经过放大电路调理放大，在逻辑控制电路控制下，通过模数转换电路输入计算机，所述模数转换电路采用ADS1246芯片，具有24位的转换精度；所述电压传感器包含多个直径为10‑100微米的薄膜电极，每个微电极涂覆有粗糙金/铂黑混合层，基材为玻璃基板，电极点以外的表面覆盖绝缘层；所述放大电路共有64个独立的通道，每个通道具有三级有源滤波和放大功能，其中，所述信号处理和控制模块包括感应电场信号处理程序，神经信号处理程序和刺激参数处理程序，所述信号处理和控制模块基于Labview图形化编程环境设计，具有硬件控制、数据显示、数据记录和数据处理功能，软件从PCI总线接口的缓存读取数据，将64通道数据实时显示在界面窗口，从软件界面能够设置采样率、带通滤波器、显示参数和存储参数，动态尖峰检测阈值为3倍背景噪音的标准差，动作电位检测得到的时间戳数据和波形数据保存在硬盘，所述刺激参数处理程序中设置优化目标参数x，搜索区间ψ，发放率阈值T和收敛判据ε，所述刺激参数处理程序产生新刺激策略xn，经所述颅磁刺激器产生刺激信号，所述电压传感器将刺激后神经组织产生的神经信号经过所述放大电路调理放大，在所述逻辑控制电路控制下，通过所述模数转换电路输入计算机，所述神经信号处理程序带通滤波，自适应计算动作电位阈值，检测动作电位，识别分类动作电位波形，计算所有通道平均发放率AFR，如果AFR>T，计算簇发阈值，使用下式计算每一对通道之间的协相关系数Rij，其中Cov两个通道的协方差，Var是通道自身的方差，ni,nj是i,j通道的动作电位时间戳函数，再在此基础上计算每一通道和其它所有通道之间的相关度权重总和，使用下式对每个通道计算功能连接强度值FCS：其中，zij是用费舍尔Z变换Rij的归一化值，Rij小于0.3不计入总和，t检验比较刺激前后FCS(xn)的统计学差别，如果p>0.05则xn在ψ区间内重新取值，重新下一轮优化程序，如果p<0.05，则计算xn+1‑xn＝FCS(xn)/FCS'(xn)，如果xn+1‑xn>ε则xn＝xn+1，重新下一轮优化程序，如果搜索完所有ψ区间，则生成报告并结束，在所述刺激参数处理程序中设置目标磁场强度值Bt，起始线圈距离Z0，起始输出功率W0，所述刺激参数处理程序计算出目标电压值Vt，输出功率Wn和所述刺激线圈步进距离Zn，所述经颅磁刺激器产生刺激信号，所述电压传感器将刺激产生的感应电场信号经过所述放大电路调理放大，在所述逻辑控制电路控制下，通过所述模数转换电路输入计算机，所述感应电场信号处理程序检测峰值电位，计算所有通道平均峰值电压值V(Zn,Wn)，判断Vt＝V(Zn)和Zn是否超出位移区间，否则PID控制生成反馈Zn＝Zn+Zd，重复以上调节Zn过程，是则进行判断Vt＝V(Wn)和Wn是否超出取值区间，否则PID控制生成反馈Wn＝Wn+Wd，重复以上调节Wn过程，是则结束调节过程。