立体定向磁头及阵列、大脑神经细胞电活动干涉系统

摘要

本发明涉及一种立体定向磁头及阵列、大脑神经细胞电活动干涉系统，其技术特点是：该立体定向磁头包括立体定向磁头外壳、脉冲磁场线圈、脉冲磁场导向柱、多个磁场立体定向控制线圈和磁场导向圆锥环；该立体定向磁头阵列由多个立体定向磁头组成；该系统包括立体定向磁头阵列、脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元和中心控制单元。本发明将脉冲磁场作用于大脑可改变大脑皮层神经细胞的膜电位并使之产生感应电流，通过对脉冲磁场的方向、磁感应强度进行控制，实现对人脑皮层神经细胞电活动的控制功能，可广泛应用于无创性人工视觉、人工听觉、异常大脑皮层电活动控制治疗及重塑异常神经元的功能等。

说明书

技术领域

本发明属于电磁技术及神经电生理技术领域，尤其是一种立体定向磁头及阵列、大脑神经细胞电活动干涉系统。

背景技术

目前，电磁技术实际应用于临床的项目非常少，如美国FDA于2008年批准的经颅磁刺激用于药物难治性抑郁症的治疗。经颅磁刺激技术好处是无创伤性，其缺陷是不能非常准确地定位,导致临床适应范围较窄。

在科研方面，人脑计算机接口已经成为世界范围广泛研究的课题，而人们目前主要的研究方向是如何无创性地获得高精度、高灵敏度及实时的脑电信号及脑磁信号并加以分析及应用，这些研究只是人脑信息到计算机的单向接口研究。而如何将信息以无创的方式从计算机传入大脑并作用于神经细胞的研究及实际应用几乎是空白，现有相关研究及应用多为有创性的，如一些高端人工视觉是通过在大脑视觉皮层表面植入电极实现的，但这些方法均为有创性的，由于人脑手术存在极大风险，所有这些方法目前还处于实验阶段，要想推广到临床还需要较长的时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、安全可靠且无创性的立体定向磁头及阵列、大脑神经细胞电活动干涉系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种立体定向磁头，包括立体定向磁头外壳、脉冲磁场线圈、脉冲磁场导向柱、多个磁场立体定向控制线圈和磁场导向圆锥环；所述脉冲磁场导向柱套装在脉冲磁场线圈中央且该脉冲磁场线圈安装在立体定向磁头外壳内部的上端，所述多个磁场立体定向控制线圈按圆环状均布安装在立体定向磁头外壳内部的下端，所述磁场导向圆锥环安装在立体定向磁头外壳的底部。

所述脉冲磁场线圈通过脉冲磁场线圈支架盘安装在立体定向磁头外壳的内部，所述多个磁场立体定向控制线圈通过磁场立体定向控制线圈支架盘安装在立体定向磁头外壳的内部；所述脉冲磁场线圈支架盘和磁场立体定向控制线圈支架盘均采用塑料材质制成。

所述立体定向磁头外壳采用高磁导率材料制成；所述脉冲磁场导向柱采用金属材质制成且该脉冲磁场导向柱下端成倒圆锥形；所述磁场导向圆锥环采用高磁导率材料制成，其形状为上宽下窄的倒梯形圆环，圆环上内孔径大于下内孔径。

所述脉冲磁场线圈通过包裹有电磁屏蔽橡胶层的连接导线与脉冲磁场线圈控制单元相连接；所述多个磁场立体定向控制线圈通过包裹有电磁屏蔽橡胶层的连接导线与磁场立体定向控制线圈控制单元相连接，各个磁场立体定向控制线圈之间通过包裹有电磁屏蔽橡胶层的连接导线串联在一起。

一种立体定向磁头阵列，由多个立体定向磁头密集排列构成，每个立体定向磁头的脉冲磁场线圈均与脉冲磁场线圈控制单元相连接且产生的磁场强度、脉冲频率、磁场极向均由脉冲磁场线圈控制单元单独调控，每个立体定向磁头的多个磁场立体定向控制线圈均与磁场立体定向控制线圈控制单元相连接且磁场强度、磁场极向均由磁场立体定向控制线圈控制单元单独调控。

一种大脑神经细胞电活动干涉系统，包括立体定向磁头阵列、脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元和中心控制单元，所述中心控制单元与脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元相连接，所述脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元与立体定向磁头阵列相连接。

所述中心控制单元通过多组多通道信号分配器与脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元相连接，所述脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元通过多组集线器与立体定向磁头阵列相连接。

所述脉冲磁场线圈控制单元由多个立体定向磁头脉冲发生器组成，每个立体定向磁头脉冲发生器接收中心控制单元通过多通道脉冲磁场控制线圈控制信号分配器分发的控制信号，并按照信号内容生成具有脉冲编码、指定磁场强度、指定磁极方向的调制脉冲信号，该调制脉冲信号通过连接脉冲磁场线圈的上位集线器和下位集线器发送到立体定向磁头阵列中与之对应的立体定向磁头中的脉冲磁场线圈产生特定的磁场。

所述磁场立体定向控制线圈控制单元由多个立体定向磁头磁场定向控制器组成，每个立体定向磁头磁场定向控制器接收上位中心控制单元通过多通道磁场立体定向控制线圈控制信号分配器分发的控制信号，并按照信号内容生成具有指定磁场强度、指定磁极方向的调制信号；该调制信号通过连接磁场立体定向控制线圈的上位集线器和下位集线器发送到立体定向磁头阵列中与之对应的立体定向磁头中的立体定向控制线圈组产生特定的磁场。

所述中心控制单元由主控计算机、输入输出设备及脑磁场特征磁纹数据库连接构成。

本发明的优点和积极效果是：

本发明根据基本电磁场理论，利用低频磁场有强大的穿透能力将脉冲磁场作用于大脑可改变大脑皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动的原理，并且通过对脉冲磁场的方向、磁感应强度进行控制，通过计算机对脉冲磁场进行编码，从而使特定的大脑皮层神经细胞产生特定的神经电活动，最终实现对人脑皮层神经细胞电活动的控制，本发明可应用于无创性人工视觉、人工听觉、异常大脑皮层电活动控制治疗(如癫痫等)、记忆力下降及认知功能障碍、帕金森病、运动神经元病(渐冻人)、血管神经性头痛、睡眠障碍、痴呆、快速缓解疲劳、神经康复、大脑传导通路重塑、人工智能的研究、甚至向大脑导入知识信息及重塑异常神经元的功能等。

附图说明

图1为本发明的立体定向磁头的透视图；

图2为本发明的立体定向磁头的剖面图；

图3为本发明的立体定向磁头产生磁力线剖面示意图；

图4为本发明的脉冲磁场线圈、磁场立体定向控制线圈连线示意图；

图5为本发明的立体定向磁头三维立体图；

图6为本发明的立体定向磁头阵列的三维立体图；

图7为本发明的立体定向磁头阵列与大脑相对位置示意图；

图8为本发明的立体定向磁头阵列脉冲磁场作用于大脑皮层示意图；

图9为本发明的大脑神经细胞电活动干涉系统电路方框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种立体定向磁头，如图1至图5所示，由立体定向磁头外壳1、脉冲磁场线圈2、脉冲磁场导向柱3、多个磁场立体定向控制线圈4、磁场导向圆锥环5、脉冲磁场线圈支架盘6、磁场立体定向控制线圈支架盘7构成。所述脉冲磁场导向柱套装在脉冲磁场线圈中央，所述脉冲磁场线圈通过脉冲磁场线圈支架盘安装在立体定向磁头外壳内部的上端，该脉冲磁场线圈通过脉冲磁场线圈连接导线D连接到脉冲磁场线圈控制单元上；所述多个磁场立体定向控制线圈通过磁场立体定向控制线圈支架盘均布安装在立体定向磁头外壳内部的下端，该多个磁场立体定向控制线圈通过立体定向控制线圈连接导线E连接到磁场立体定向控制线圈控制单元上，所述磁场导向圆锥环安装在立体定向磁头外壳的底部。

所述立体定向磁头外壳采用高磁导率的材料(如坡莫合金及铝等)用来屏蔽直流磁场和低频交流磁场，从而防止相邻的立体定向磁头本身产生的磁场的相互影响。

所述脉冲磁场线圈用于产生脉冲磁场(如图3中B指向的为脉冲磁场线圈产生的磁感线)。

所述脉冲磁场导向柱采用金属材质，能够使脉冲磁场极向按导向柱纵轴方向分布，该导向柱下端成倒圆锥形，可以控制磁感线密度。

所述多个磁场立体定向控制线圈呈圆环状均匀分布，它们所产生的磁场呈圆环状(如图3中A指向的为立体定向控制线圈产生的磁感线)，每个控制线圈形成的磁场与脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场在纵轴上极向相同，故两种磁场相互排斥，当脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场通过多个控制线圈形成的磁场圆环时，脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场将被压缩成尖部向下的圆锥状，脉冲磁场能量密度将集中在圆锥尖部(如图3中C点)，通过调整控制线圈产生磁场的强弱，改变脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场的形状，从而可以使C点在脉冲磁场线圈纵轴方向上下移动，从而实现立体定向目的。

脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场能量集中点(图3中的C点)，该点的能量强度刚好可以使位于该点的大脑皮层神经细胞产生膜电位，而磁场其它部分能量强度无法达到大脑皮层神经细胞产生膜电位的阈值，通过调节该点在大脑皮层的位置可以精确控制该点所对应大脑皮层功能区的细胞电活动。

所述磁场导向圆锥环为上宽下窄的倒梯形圆环，圆环上内孔径大于下内孔径，圆环采用高磁导率的材料(如坡莫合金及铝等材料)，用来屏蔽直流磁场和低频交流磁场，并引导脉冲磁场线圈产生的磁场从圆环内孔导出；同时屏蔽立体定向控制线圈的磁场外泄。

所述脉冲磁场线圈支架盘用于支持并固定脉冲磁场线圈，其采用塑料材质制成，不对磁场产生影响。

所述磁场立体定向控制线圈支架盘用于支持并固定磁场立体定向控制线圈，其采用塑料材质制成，不对磁场产生影响。

所述脉冲磁场线圈连接导线D用于连接脉冲磁场线圈和脉冲磁场线圈控制单元，其外部包裹电磁屏蔽橡胶层，防止立体定向磁头内部电磁干扰。

所述多个磁场立体定向控制线圈E用于连接多个磁场立体定向控制线圈和磁场立体定向控制线圈控制单元，各个磁场立体定向控制线圈之间通过立体定向控制线圈连接导线F串联在一起，上述连接导线外部包裹电磁屏蔽橡胶层，防止立体定向磁头内部电磁干扰。

上述脉冲磁场线圈连接导线D、立体定向控制线圈连接导线E汇入导线外套管G并引向上位设备。

一种立体定向磁头阵列I，如图6所示，由多个立体定向磁头H组成密集阵列，每一个立体定向磁头的脉冲磁场线圈产生的磁场强度、脉冲频率、磁场极向均由脉冲磁场线圈控制单元单独调控；每一个立体定向控制线圈磁场强度、磁场极向均由磁场立体定向控制线圈控制单元单独调控。因此，立体定向磁头阵列将产生可定位、可编码、与目标大脑皮层神经细胞群神经电活动相匹配的复杂的脉冲磁场。组成阵列的立体定向磁头的数量及排列方式可根据具体应用环境调整。

如图7所示，将立体定向磁头阵列I放置于头皮表面，其产生的低频磁场可穿过头皮及颅骨J作用于大脑皮层K。由于低频磁场有强大的穿透能力，颅骨及脑组织对磁场来说甚至可以说毫无障碍或者类似透明。

如图8所示，立体定向磁头阵列产生磁场在大脑皮层神经细胞群投射点L，每个投射点磁场强度、磁场极向、脉冲频率均可单独调整，每个投射点的位置均可延立体定向磁头的纵轴上下移动，可以对应大脑皮层中不同层次的神经细胞群。

一种大脑神经细胞电活动干涉系统，如图9所示，包括立体定向磁头阵列、脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元、中心控制单元、多组多通道信号分配器、多组集线器及线缆连接组成。所述中心控制单元通过多组多通道信号分配器分别与脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元相连接，所述脉冲磁场线圈控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元通过多组集线器与立体定向磁头阵列相连接。

系统中的脉冲磁场线圈控制单元：由多个立体定向磁头脉冲发生器组成，每个立体定向磁头脉冲发生器接收上位主控计算机通过多通道脉冲磁场控制线圈控制信号分配器分发的控制信号，并按照信号内容生成具有脉冲编码、指定磁场强度、指定磁极方向的调制脉冲信号；该调制脉冲信号通过连接脉冲磁场线圈的上位集线器和下位集线器发送到立体定向磁头阵列中与之对应的立体定向磁头中的脉冲磁场线圈产生特定的磁场。每一个立体定向磁头脉冲发生器并行地接受上位主控计算机的控制。

系统中的磁场立体定向控制线圈控制单元：由多个立体定向磁头磁场定向控制器组成，每个立体定向磁头磁场定向控制器接收上位主控计算机通过多通道磁场立体定向控制线圈控制信号分配器分发的控制信号，并按照信号内容生成具有指定磁场强度、指定磁极方向的调制信号；该调制信号通过连接磁场立体定向控制线圈的上位集线器和下位集线器发送到立体定向磁头阵列中与之对应的立体定向磁头中的立体定向控制线圈组产生特定的磁场。每一个立体定向磁头磁场定向控制器并行地接受上位主控计算机的控制。

系统中的中心控制单元：由主控计算机、输入输出设备及脑磁场特征磁纹数据库组成。主控计算机对脉冲磁场线圈控制单元及磁场立体定向控制线圈控制单元发出控制指令从而实现对立体定向磁头阵列的控制；分析处理并编码外周设备输入的数据；调用脑磁场特征磁纹数据库数据。输入输出设备：外周视频、音频等采集设备产生的数据通过输入设备导入到主控计算机；主控计算机生成的数据通过输出设备导出至外周设备。脑磁场特征磁纹数据库：该数据库存储大脑皮层不同功能区的特征磁纹，即大脑皮层不同功能区神经细胞电磁活动特征数据。主控计算机通过调用数据库中特征磁纹数据，通过控制脉冲磁场线圈控制单元及磁场立体定向控制线圈控制单元，使立体定向磁头产生与目标大脑皮层神经细胞群相匹配的特定脉冲磁场，从而使目标大脑皮层神经细胞产生特定的神经电活动。

系统中的多通道信号分配器包括多通道信号分配器、多通道脉冲磁场控制线圈控制信号分配器和多通道磁场立体定向控制线圈控制信号分配器。多通道信号分配器：由多通道脉冲磁场控制线圈控制信号分配器、多通道磁场立体定向控制线圈控制信号分配器组成。多通道脉冲磁场控制线圈控制信号分配器：接收上位主控计算机的控制信号并分发给脉冲磁场线圈控制单元中的多个立体定向磁头脉冲发生器。多通道磁场立体定向控制线圈控制信号分配器：接收上位主控计算机的控制信号并分发给磁场立体定向控制线圈控制单元中的多个立体定向磁头磁场定向控制器。

系统中的多组集线器包括上位集线器及下位集线器。上位集线器：收集上位设备的线缆并汇总至数据总线。下位集线器：收集下位设备的线缆并汇总至数据总线。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。