可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置的製作方法
2023-07-05 23:21:21 2
專利名稱：可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物醫學工程技術領域，特別涉及一種可遙控動物運動行為的腦神經電刺激裝置。
背景技術：
人或動物的一切活動都是由大腦控制的，大腦對人或動物生理活動的控制是如此的完美，目前任何機器都無法比擬。探索大腦的奧秘成為21世紀的前沿科學。科學家提出，21世紀是″腦科學時代″，它包括了解腦、保護腦和創造腦。目前對大腦研究大多是研究大腦的根本結構，但是研究腦的高級功能，諸如運動控制、學習記憶、情緒、語言、意識等的認識比研究大腦的根本結構要複雜的多，它可能會取得突破性的進展，帶動整個社會的發展。
大腦究竟遵循何種原則有序地控制身體的運動器官以滿足人們行為目的的需要？至今還是個尚未解決的問題。隨著人們步入21世紀，生物學、自動化及計算機等學科的學者紛紛進入此領域，從事與本學科相關的腦科學的研究。
大腦的表層稱為大腦皮層，它是由許許多多的神經組合而成的神經網絡，具有不同的腦功能區域，控制著動物的行為。所謂行為是動物為適應環境所作的互相關聯的各種反應體系，包括對外界刺激的動作反應以及言語和情緒的反應。以肢體運動為例，它是由大腦皮層的運動區發出電信號或由於刺激而產生的電信號，該電信號沿著神經纖維從中樞神經系統傳導到外周神經系統，神經系統識別與環境相關的電信號，並進行神經元群、突觸間的相互作用，以實現對信號的反應事件。目前對於刺激模式與運動行為的關係還是一個需要深入研究的重要課題，對此我們探討神經電刺激對動物的行為作用，尋找神經電刺激模式與動物行為反應間的關係，建立一套對動物行為有反應的專有的腦神經電刺激系統。
前不久，美國布朗大學的研究人員在一名嚴重癱瘓的男子的大腦中植入了一枚電子晶片，當他想要移動他的胳膊的時候，晶片就把信號轉送給電腦，電腦就在顯示屏上移動光標。試驗中，從頸部以下完全癱瘓的這名病人能夠做一些簡單的事情，比如控制電視機。德國科學家曾成功地用一塊矽片和從蝸牛大腦中攝取的神經細胞組成了一個電路。芝加哥西北大學的科學家們已經設計出一種由七鰓鰻魚的大腦控制的機器人。當機器人的傳感器察覺到光線時，它們就向魚的神經細胞發出一個信號。神經細胞根據這一信息採取行動，指示機器人朝著光源移動。這一反應通常幫助這種魚在海洋中沿著正確道路遊進。但是，通過遙控的方式控制外部電子裝置來控制人體或動物的運動行為尚未見報導。
本發明裝置與其他研究不同，它是從另外的角度研究「大腦晶片」，即通過遙控器發出指令給腦神經電刺激器，該刺激器發出與大腦神經脈衝相似的電脈衝作用在大腦神經系統來指揮人或動物的運動。以上為本裝置的特點。
發明內容
本發明的目的是將大腦與電子裝置連接在一起，用電子裝置代替部分腦功能，該項技術在人體的成功應用將使癱瘓病人獲得新生，癱瘓病人可以通過植入的電子裝置控制個人行為。該項技術在軍事、公安領域有重要的應用意義，它通過置入動物大腦的電子裝置用遙控的方式控制動物的行為，使動物在人無法進入的地區有目的的活動，這將大大降低在危險環境和戰場中人類所面臨的危險。
本發明裝置的輸出端是鍍銀刺激電極，該電極植入受試者大腦中；本發明裝置具有遙控功能，通過該裝置產生不同的輸出信號遙控控制大腦神經的活動，最後控制受試者的運動行為。
腦神經電刺激脈衝信號的波形模式直接影響刺激的效果，它也是本發明的關鍵技術。這裡建立了一套特有的刺激方法，即刺激電脈衝的波形和頻率與大腦內產生的神經電脈衝的波形和頻率相近，使得電子裝置產生的信號與大腦活動的信號相近。
動物的行為反應也是一種學習記憶的過程，單純的刺激沒有學習訓練也不能達到預期的效果。為此在本發明中設置了相應的運動訓練器(箱)，該裝置與腦神經電刺激裝置、聲音刺激裝置相結合，構成了一套完善的控制動物運動行為的腦神經電刺激裝置。
本發明裝置包括遙控器、聲音刺激器、PC機、腦神經電刺激器、腦刺激電極、運動訓練器(箱)。遙控器向腦神經電刺激器發出指令，然後通過串行口將該指令發給PC機，開始運行；同時腦神經電刺激器發出相應的電脈衝，該電脈衝通過植入的腦刺激電極進入大腦以刺激大腦神經，大腦神經支配軀體產生運動行為反應。運動行為在訓練箱內進行。為了制定神經刺激電信號的模式，系統中設計了聲音刺激器，用以輔助腦神經電刺激器。在電刺激前，可以先用聲音刺激動物，由PC機發出聲音信號，同時PC機通過串行口向動物訓練箱的危險區銅網發出電信號，當動物由危險區跳入另一側即安全區時，以紅外線控制的方式發出信號通過串行口通知PC機停止聲音信號。
其中，腦神經電刺激器包括振蕩電流發生電路、功放電路、變壓電路和遙控輸出電路。遙控器發射的刺激信號輸入到振蕩電流發生電路，經過振蕩電流發生電路的多諧振蕩器輸出矩形脈衝信號，再經過滑動變阻器調節刺激信號的波形和頻率，功放電路將信號放大後，驅動變壓電路，然後輸出波形和頻率與大腦產生的神經電脈衝波形和頻率相近的電脈衝，由遙控輸出電路發射該信號。
振蕩電流發生電路為一個多偕振蕩器，高觸發端和低出發端相連，通過電容接地，電壓控制端也通過一個電容接地，復位端接高電位，輸出端得到矩形脈衝信號。刺激脈衝的頻率通過接在高觸發端和放電端的滑動變阻器進行調節。
功放電路由直接耦合的兩級放大器構成，主要實現的是功率放大功能，以驅動變壓電路。
變壓電路由線圈式交流變壓器構成，變壓器輸入端由功放電路提供需要的電流，以驅動變壓器，變壓器輸出端輸出波形和頻率與大腦產生的神經電脈衝波形和頻率相近的電脈衝。
遙控輸出電路，脈衝電流採用遙控控制輸出，以滿足特殊工作的需求。發射器工作頻率為315MHZ，接收模塊採用SMD貼片工藝製造生產，為超再生接收方式，它內含放大整形及解碼電路。按下發射器的按鍵，接收模塊的繼電器就吸合，電路導通，脈衝電流輸出，鬆開按鍵，繼電器同步釋放，電路斷開。
聲音刺激器硬體由PC機和揚聲器組成。發聲命令由PC機產生，聲音的產生是利用Microsoft Foundation Class軟體，在Microsoft Visual C++6.0環境下實現的。該軟體可以產生不同頻率、不同幅值的正弦聲波，由音效卡輸出給揚聲器，用作聲音刺激信號。該軟體主要由信息輸入、生成波形文件、播放聲音三部分組成，具體實現步驟如下1)輸入基本信息，包括頻率變化範圍、播放時間、頻率變化方式，其中頻率變化方式的不同反映為聲音的升高或下降；2)根據輸入的不同的基本信息，由計算機分析、處理，分別生成連續變化的正弦聲波文件並保存在指定位置；3)使用時，根據需要選擇播放不同的聲音文件，輸出不同的聲音信號，使受試者根據不同的聲音信號完成不同的動作。
本發明裝置中聲音刺激器產生聲音的軟體實現方法，其操作過程執行步驟如下開始；輸入頻率變化範圍、播放時間、頻率變化方式等基本信息；輸入文件名；創建並打開文件；寫入文件頭及格式信息；判斷是否選擇頻率升高，選擇否，使循環數遞減並寫入數據，選擇是，使循環數遞增並寫入數據；關閉文件；需要時播放聲音；結束。
運動訓練器(箱)分為兩部分訓練器(箱)箱體和控制裝置。控制裝置與訓練器(箱)箱體底部通過銅網相連接，從而通過對訓練器(箱)箱體內受試者的腳底進行電刺激來達到訓練的目的。
其中訓練器(箱)箱體上面有兩個門，底部中間的橫梁把箱內分成兩個空間，分別為危險區和安全區，兩個空間底部的銅網由不同電路分別供電。
控制裝置，接入電源後通過變壓器產生兩路不同的電壓，一路為140伏，用於控制輸入銅網的電壓；另外一路為10伏，用於給控制裝置內的電子器件提供電壓。控制裝置包括強度控制部分和延時控制部分，分別用以控制電壓的強度和通電後產生電壓的延時時間。最後通過開關電路產生兩路輸出，分別輸送給訓練器(箱)箱體兩個空間底部的銅網。
本發明建立了一套用電子裝置控制大腦以達到控制身體運動的實驗研究系統，為進一步從事此領域的研究提供了研究手段，從而對研究腦的高級功能、創造腦具有重要的意義。
圖1為本發明裝置原理框圖；圖2為腦神經電刺激器組成框圖；圖3為腦神經電刺激器產生的電脈衝示意圖；圖4為腦神經電刺激器電路原理圖；圖5為遙控輸出電路原理圖；圖6為無線接收模塊電路原理圖；圖7為聲音刺激軟體流程圖；圖8為動物訓練箱三視圖；圖9為動物訓練箱內控制裝置原理框圖；圖10為動物訓練箱內控制裝置電路原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明裝置進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明裝置包括遙控器1100、聲音刺激器1000、PC機1020、腦神經電刺激器1050、腦刺激電極1060、運動訓練器(箱)1030。遙控器1100向腦神經電刺激器1050發出指令，然後通過串行口1040將該指令發給PC機1020，開始運行；同時腦神經電刺激器1050發出相應的電脈衝，該電脈衝通過植入的腦刺激電極1060進入大腦以刺激大腦神經1090，大腦神經1090支配軀體產生運動行為反應。運動行為在訓練箱內1030進行。為了制定神經刺激電信號的模式，系統中設計了聲音刺激器1000，用以輔助腦神經電刺激器1050。在電刺激前，可以先用聲音刺激動物，由PC機1020發出聲音信號，同時PC機1020通過串行口1010向動物訓練箱1030的危險區銅網發出電信號，當動物由危險區跳入另一側(安全區)時，以紅外線控制的方式發出信號通過串行口1010通知PC機1020停止聲音信號。
其中，腦神經電刺激器1050包括四個部分，如圖2所示，振蕩電流發生電路、功放電路、變壓電路和遙控輸出電路。遙控器發射的刺激信號輸入到振蕩電流發生電路，經過振蕩電流發生電路的多諧振蕩器輸出矩形脈衝信號，再經過滑動變阻器調節刺激信號的波形和頻率，功放電路將信號放大後，驅動變壓電路，然後輸出波形和頻率與大腦產生的神經電脈衝波形和頻率相近的電脈衝，由遙控輸出電路發射該信號。。
腦神經電刺激器1050能夠產生雙向電流脈衝，其參數可控，可控的參數包括正負脈衝的寬度Tp和Tn，幅度Ip和In，正負脈衝間隔Td，刺激脈衝頻率fo。如圖3所示。另外，根據實際需要，輸出脈衝應用遙控控制。
如圖4中I所示，振蕩電流發生電路為一個5G555定時器構成的多偕振蕩器，高觸發端TH(6腳)和低出發端TL(2腳)相連，通過電容接地，電壓控制端(5腳)也通過一個電容接地，復位端(4腳)接高電位，輸出端(3腳)可以得到矩形脈衝信號。刺激脈衝的頻率通過接在高觸發端(6腳)和放電端的滑動變阻器(R4、R5)進行調節。
如圖4中II所示，功放電路由直接耦合的兩級放大器(Q1、Q2)構成，主要實現的是功率放大功能，以驅動變壓電路。
如圖4中III所示，變壓電路由線圈式交流變壓器(T1)構成，變壓器輸入端由功放電路提供需要的電流，以驅動變壓器，變壓器輸出端輸出符合要求的脈衝電流。變壓器輸出端輸出脈衝頻率0-50Hz；連續可調脈衝寬度0.6ms；輸出脈衝電壓20V-70V的脈衝電流。
如圖4中IV所示，脈衝電流採用遙控控制輸出，遙控輸出電路內部的編碼晶片是用寬體貼片的SC2262S編碼晶片，電池是A27遙控專用12伏小電池，發射天線是內藏式的PCB天線，電路原理圖如圖5所示。發射器工作頻率為315MHZ，接收模塊採用SMD貼片工藝製造生產，為超再生接收方式，它內含放大整形及解碼電路，共有七個引出端，分別為10、11、12、13、GND、17、VCC，其中VCC為5V供電端，GND為接地端，17端為解碼有效輸出端，10、11、12、13是解碼晶片PT2272(SC2272)集成電路的10～13腳，為四位數據鎖存輸出端，有信號時能輸出5V左右的高電平，驅動電流約2mA，與發射器上的四位按鍵一一相對應。電路原理圖如圖6所示。按下發射器的按鍵，接收模塊的繼電器就吸合，電路導通，脈衝電流輸出，鬆開按鍵，繼電器司步釋放，電路斷開。
聲音刺激器1000硬體由PC機和揚聲器組成。發聲命令由PC機產生，聲音的產生是利用Microsoft Foundation Class軟體，在Microsoft Visual C++6.0環境下實現的，並可以產生不同頻率、不同幅值的正弦聲波，由音效卡輸出給揚聲器，用作聲音刺激信號。該軟體主要由信息輸入、生成波形文件、播放聲音三部分組成，軟體流程圖如圖7所示，具體實現步驟如下1，輸入基本信息，包括頻率變化範圍、播放時間、頻率變化方式，其中頻率變化方式的不同反映為聲音的升高或下降；2，根據輸入的不同的基本信息，由計算機分析、處理，分別生成連續變化的正弦聲波文件並保存在指定位置；3，使用時，根據需要選擇播放不同的聲音文件，輸出不同的聲音信號，使受試者根據不同的聲音信號完成不同的動作。
運動訓練器(箱)1030分為兩部分訓練器(箱)箱體和控制裝置。控制裝置與訓練器(箱)箱體底部通過銅網相連接，從而通過對訓練器(箱)箱體內受試者的腳底進行電刺激來達到訓練的目的。
如圖8所示，運動訓練器(箱)1030箱體上面有兩個門，底部中間的橫梁把箱內分成兩個空間，分別為危險區和安全區，兩個空間底部的銅網由不同電路分別供電。
控制裝置實現控制功能的原理框圖如圖9所示。該控制裝置接入電源後通過變壓器產生兩路不同的電壓，一路為140伏，用於控制輸入銅網的電壓；另外一路為10伏，用於給控制裝置內的電子器件提供電壓。
該控制裝置的電路原理如圖10所示，控制裝置包括強度控制部分和延時控制部分，分別用以控制電壓的強度和通電後產生電壓的延時時間。最後通過開關電路產生兩路輸出，分別輸送給訓練器(箱)箱體兩個空間底部的銅網。
訓練時把動物放進箱子安全區一側，另一側(危險區)銅網則有電，讓動物熟悉一會環境，不敢去危險區。當電極給動物大腦神經發出電脈衝信號2秒鐘之後，安全區變成危險區，兔子應逃離到另一側(安全區)，此時電刺激信號消失，動物留在安全區。
通過多次訓練後，動物大腦接收到電脈衝信號立刻跳到另一側，此時危險區變成安全區，另一側(危險區)則有電，完成學習過程。
該裝置的具體工作過程為遙控器1100發出指令要求動物從訓練箱1030的危險區側跳入安全區側，動物應做相應的動作，否側它將受到懲罰，即PC機將通過串行口1010向訓練箱1030的控制裝置發出信號在訓練箱動物所在危險區側腳部通電，這樣動物將跳入安全區側，經過一段時間的訓練後，動物只要一受到遙控器1100發出的要求動物從訓練箱的危險區側跳入安全區側的指令，它就會從訓練箱的危險區跳入安全區，實現了用腦神經電刺激來控制動物運動行為的目的。為了制定神經刺激電信號的模式，系統中設計了聲音刺激器1000。在電刺激前，可以先用聲音刺激動物，其餘過程與電刺激相同。
首先在受試者-動物的頭部安裝腦刺激電極，動物適應後被放入訓練箱內，將腦神經電刺激器放在訓練箱上部，腦神經電刺激器的輸出端與動物腦刺激電極相連接，實驗者手持遙控器發出指令，動物從危險區跳入另一側安全區。
權利要求
1.一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於該裝置包括遙控器、聲音刺激器、PC機、腦神經電刺激器、腦刺激電極、運動訓練器或箱；其中，腦神經電刺激器包括振蕩電流發生電路、功放電路、變壓電路和遙控輸出電路；振蕩電流發生電路(I)為一個多偕振蕩器，高觸發端(6腳)和低出發端(2腳)相連，通過電容接地，電壓控制端(5腳)也通過一個電容接地，復位端(4腳)接高電位，輸出端(3腳)得到矩形脈衝信號，刺激脈衝的頻率通過接在高觸發端(6腳)和放電端的滑動變阻器(R4，R5)進行調節；功放電路(II)由直接耦合的兩級放大器(Q1、Q2)構成，主要實現的是功率放大功能，以驅動變壓電路；變壓電路(III)由線圈式脈衝變壓器(T1)構成，變壓器輸入端由功放電路提供需要的電流，以驅動脈衝變壓器，脈衝變壓器輸出端輸出波形和頻率與大腦產生的神經電脈衝波形和頻率相近的電脈衝；遙控輸出電路(IV)，變壓器輸出脈衝電流採用遙控控制輸出，以滿足特殊要求；該裝置的工作過程為遙控器向腦神經電刺激器發出指令，然後通過串行口將該指令發給PC機，開始運行；同時腦神經電刺激器發出相應的電脈衝，該電脈衝通過植入的腦刺激電極進入大腦以刺激大腦神經，大腦神經支配軀體產生運動行為反應；運動行為在訓練箱內進行。
2.如權利要求1所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於該裝置還包括聲音刺激器，用以輔助腦神經電刺激器；在電刺激前，可以先用聲音刺激動物，由PC機發出聲音信號，同時PC機通過串行口向動物訓練箱的危險區銅網發出電信號，當動物由危險區跳入另一側即安全區時，以紅外線控制的方式發出信號通過串行口通知PC機停止聲音信號。
3.如權利要求2所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於所述聲音刺激器配合腦神經電刺激器的工作發出聲音的具體實現步驟如下1)輸入基本信息，包括頻率變化範圍、播放時間、頻率變化方式，其中頻率變化方式的不同反映為聲音的升高或下降；2)根據輸入的不同的基本信息，由計算機分析、處理，分別生成連續變化的正弦聲波文件並保存在指定位置；3)使用時，根據需要選擇播放不同的聲音文件，輸出不同的聲音信號，使受試者根據不同的聲音信號完成不同的動作。
4.如權利要求1所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於所述運動訓練器或箱分為兩部分訓練器箱體和控制裝置；控制裝置與訓練器箱體底部通過銅網相連接。
5.如權利要求5所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於所述訓練器箱體上面有兩個門，底部中間的橫梁把箱內分成兩個空間，分別為危險區和安全區，兩個空間底部的銅網由不同電路分別供電。
6.如權利要求5所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於所述控制裝置，接入電源後通過變壓器產生兩路不同的電壓，一路用於控制輸入銅網的電壓，另外一路用於給控制裝置內的電子器件提供電壓。
7.如權利要求5或7所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於所述控制裝置還包括強度控制部分和延時控制部分，分別用以控制電壓的強度和通電後產生電壓的延時時間。
8.如權利要求5或7所述的一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，其特徵在於所述控制裝置通過開關電路產生兩路輸出，分別輸送給訓練器箱體兩個空間底部的銅網。
全文摘要
一種可遙控運動行為的腦神經電刺激裝置，包括遙控器、聲音刺激器、PC機、腦神經電刺激器、腦刺激電極、運動訓練器(箱)。遙控器向腦神經電刺激器發出指令，然後通過串行口將該指令發給PC機，開始運行；同時腦神經電刺激器發出相應的電脈衝，該電脈衝通過植入的腦刺激電極進入大腦以刺激大腦神經，大腦神經支配軀體產生運動行為反應。運動行為在訓練箱內進行。系統中還設計了聲音刺激器，用以輔助腦神經電刺激器。在電刺激前，可以先用聲音刺激動物，由PC機發出聲音信號，同時PC機通過串行口向動物訓練箱的危險區銅網發出電信號，當動物由危險區跳入另一側(安全區)時，以紅外線控制的方式發出信號通過串行口通知PC機停止聲音信號。
文檔編號G06F19/00GK1775323SQ20051004733
公開日2006年5月24日 申請日期2005年9月30日 優先權日2005年9月30日
發明者王宏, 彭靳, 崔乃英, 李封, 王世強, 曹英, 劉衝, 張敏 申請人:東北大學