一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置

摘要

本发明实施例公开了一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置，该装置包括，超声波发射模块，用于向目标位置发射超声波波束；电磁铁模块，用于在目标位置构建磁场；其中，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。本发明实施例解决了现有经颅磁声刺激装置磁场强度较低，仅适用于啮齿类小动物的经颅刺激的问题，实现了利用耦合电场中的电流进行全脑区矢量刺激，提高了刺激靶点的最大深度以及刺激电场的强度，可以同时满足灵长类大动物及人全脑区的矢量刺激需求。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及经颅磁声刺激技术，尤其涉及一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置。

背景技术

神经电刺激技术现已被广泛应用于脑科学研究及脑部神经的研究。常见的无创神经电磁刺激如经颅直流电刺激、经颅磁刺激技术等，现阶段均无法实现毫米量级的高空间分辨率，且难以达到对深部脑区的刺激。而有创式的脑深部电刺激技术则需要打开颅骨进行电极植入，手术和应用风险性高，也存在较大操作风险。

经颅磁声刺激是一种新型的可兼顾刺激聚焦性与刺激深度的无创神经电刺激技术。该方法不同于此前直接利用电场磁场变化诱发电刺激的形式，而是基于导电组织的磁声耦合效应，利用超声的高聚焦特性实现高空间分辨的无创电刺激。该刺激方法可以实现包括深部脑区在内的全脑区毫米量级的经颅精准电刺激，是治疗脑部神经功能性疾病的有力手段。

然而，现有经颅磁声刺激装置均采用永磁体提供磁场，其磁场强度较低，仅适用于啮齿类小动物的经颅刺激。

发明内容

本发明提供一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置，用以提高磁声耦合所获得的电场强度，进而得到较强的刺激电流，提高治疗效果。

本发明实施例提供了一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置，其中包括：

超声波发射模块，用于向目标位置发射超声波波束；

电磁铁模块，用于在目标位置构建磁场；

其中，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。

进一步地，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角为90度。

进一步地，电磁铁模块包括电磁铁和电磁铁供电电源，电磁铁供电电源用于向电磁铁供电。

进一步地，电磁铁供电电源的输出电流大小可调。

进一步地，电磁铁模块包括电磁铁和电磁铁升降旋转架，电磁铁固定于电磁铁升降旋转架上，电磁铁升降旋转架用于调节电磁铁的高度，且用于调节电磁铁磁极的朝向。

进一步地，超声波发射模块包括相控阵聚焦超声换能器和脉冲超声激励源，脉冲超声激励源用于向相控阵聚焦超声换能器提供激励。

进一步地，脉冲超声激励源的激励通道与相控阵聚焦超声换能器的阵元一一对应。

进一步地，超声波发射模块还包括控制部，控制部用于通过调节激励通道的脉冲激励参数，以调节相控阵聚焦超声换能器的焦点位置。

进一步地，超声波发射模块包括相控阵聚焦超声换能器和换能器固定装置，换能器固定装置用于调节相控阵聚焦超声换能器的位置以及朝向。

进一步地，可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置还包括被刺激对象固定装置，用于固定被刺激对象。

本发明实施例通过超声波发射模块发射的超声波波束与电磁铁模块构建的磁场间的磁声耦合以产生耦合电场进而产生电流，利用耦合电场、超声场以及磁场形成的复合场，可实现全脑区矢量刺激，提高了刺激靶点的最大深度以及刺激电场的强度，可以同时满足灵长类大动物及人全脑区的矢量刺激需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种换能器固定装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置的工作原理图；

附图说明：

1-电磁铁，2-电磁铁供电电源，3-电磁铁升降旋转架，4-相控阵聚焦超声换能器，5-换能器固定装置，6-脉冲超声激励源，7-控制部，8-被刺激对象固定装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供了一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置，图1为本发明实施例提供的一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置的结构示意图，参见图1，其中包括：超声波发射模块，用于向目标位置发射超声波波束；电磁铁模块，用于在目标位置构建磁场；其中，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。

超声波发射模块可以是任何一种能够向目标位置发射超声波的装置。本发明实施例不针对超声波发射模块的具体类型做出限定，且将在下文对超声波发射模块的具体实例做出描述。同样的，电磁铁模块可以是任何一种能够在目标位置构建磁场的装置。本发明实施例不针对电磁铁模块的具体参数做出限定，且将在下文对电磁铁模块的具体实例做出描述。目标位置是磁场的磁感线与电磁波的交叉处，可以通过改变超声波发射模块和电磁铁模块的位姿来改变目标位置。电磁铁1的磁场与超声波产生磁声耦合以在脑部的目标位置形成电场。电场强度与电场方向为超声波与磁场的矢量积。因此，需确保超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。优选的，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角为90度。这样可以获得最大电场强度，提高目标位置的电流大小，得到更好的治疗效果。

在另一些实施例中，电磁铁模块包括电磁铁1和电磁铁供电电源2，电磁铁供电电源2用于向电磁铁1供电。

其中，电磁铁供电电源2用于向电磁铁1的线圈提供电力，以使电磁铁1产生磁场。可选的，电磁铁供电电源2的输出电流大小可调。可以根据被刺激对象脑部大小和刺激深度等不同，调整电磁铁供电电源2的输出电流大小，进而调整电磁铁1的磁场强度。控制磁声耦合电场的强度，用以准确控制刺激电流的大小，节约电力。

在另一些实施例中，电磁铁模块包括电磁铁1和电磁铁升降旋转架3，电磁铁1固定于电磁铁升降旋转架3上，电磁铁升降旋转架3用于调节电磁铁1的高度，且用于调节电磁铁1磁极的朝向。

其中，电磁铁升降旋转架3可以是任一种能够实现调节电磁铁1的高度和调节电磁铁磁极的朝向的装置，本发明实施例不对其具体结构做出限定。并且图1公开了一种电磁铁升降旋转架3，其具有两个柱状结构，其中第一柱状结构部分嵌套于第二柱状结构内，且第一柱状结构远离第二柱状结构的一端与电磁铁1连接。其中第一柱状结构相对于第二柱状结构，或电磁铁1相对于第一柱状结构可沿轴转动，以改变电磁铁磁极的朝向。第一柱状结构嵌套于第二柱状结构部分可伸出或缩回，以改变电磁铁1高度。

在另一些实施例中，超声波发射模块包括相控阵聚焦超声换能器4和脉冲超声激励源6，脉冲超声激励源6用于向相控阵聚焦超声换能器4提供激励。

可选的，相控阵聚焦超声换能器4的主频可以是0.35-0.7MHz，低于0.7MHz的脉冲超声可以穿过人类颅骨达到深部脑区，因此选用低于0.7MHz的脉冲超声能够得到更好的深部脑区刺激效果。

可选的，相控阵聚焦超声换能器4可以是呈8×8排布的64阵元面阵聚焦超声换能器，可实现焦距范围3-8cm内连续可调，以满足灵长类大动物不同脑区的刺激需求。

可选的，脉冲超声激励源6的激励通道与相控阵聚焦超声换能器4的阵元一一对应，以确保每个通道可以对每个阵元单独激励。

在另一些实施例中，超声波发射模块还包括控制部7，控制部7用于通过调节激励通道的脉冲激励参数，以调节相控阵聚焦超声换能器4的焦点位置。

其中，控制部7可以是微型计算机或是工控机，脉冲超声激励源6的各个激励通道的激励参数由微型计算机或工控机控制。激励参数可以包括重复频率，其可调范围可以是1Hz-2KHz；占空比，其可调范围可以是1％-50％；脉冲宽度，其可调范围可以是200μS-1ms；基础频率，其可调范围可以是0.35-0.7MHz；时间参数；以及脉冲信号幅度，其可调范围可以是100V-400V。脉冲超声激励源6及微型计算机可以为Verasonics超声开发平台。通过微型计算机或工控机对每个激励通道的脉冲激励参数的调节，以实现聚焦超声场的焦距及焦点位置的连续可调，满足不同脑区的刺激需要。

在另一些实施例中，超声波发射模块包括相控阵聚焦超声换能器4和换能器固定装置5，换能器固定装置5用于调节相控阵聚焦超声换能器4的位置以及朝向。

其中，换能器固定装置5可以是任一种能够实现调节相控阵聚焦超声换能器4的位置以及朝向的装置，本发明实施例不对其具体结构做出限定。并且图2公开了一种换能器固定装置5，其可以包括底座、纵臂、横臂，以及使底座与纵臂转动连接的第一连接件，使纵臂与横臂转动连接的第二连接件，使横臂与相控阵聚焦超声换能器4连接的万向接头。第一连接件可以使纵臂相对于底座沿x轴转动，且可通过使嵌套于第一连接件的底座部分伸出或缩回，改变相控阵聚焦超声换能器4的高度，第二连接件可以使横臂与纵臂间的开合角度改变。万向接头可以使相控阵聚焦超声换能器4的朝向改变。

通过调节换能器固定装置5和电磁铁升降旋转架3，以改变相控阵聚焦超声换能器4和电磁铁1的位姿。使相控阵聚焦超声换能器4发出的超声波波束和电磁铁1构建的磁场在任意所需的目标位置发生磁声耦合。图3为本发明实施例提供的一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置的工作原理图。参见图3，图中V表示超声波波束，方向与超声声场方向一致；B为静磁场；E为磁声耦合电场。由此可见，可以通过改变相控阵聚焦超声换能器4和电磁铁1的位姿，以改变超声波波束V和静磁场B的方向，进而获得不同方向的磁声耦合电场E，以刺激不同走向的神经元及神经通路，实现矢量刺激。再结合可调节焦距及焦点的相控阵换能器的使用，可以灵活实现对灵长类大动物及人全脑区的矢量刺激。

在另一些实施例中，可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置还包括被刺激对象固定装置8，用于固定被刺激对象。

其中，被刺激对象固定装置8可以仅包括头部固定装置；可以仅包括躯干固定装置；还可以同时包括头部固定装置和躯干固定装置。头部固定装置可以连接于躯干固定装置上。躯干固定装置可以是灵长类固定台，也可以是座椅。

下面将介绍一种对灵长类大动物及人的全脑区矢量刺激的方法。应当注意的是，实施该方法时采用的相控阵聚焦超声换能器4为64阵元面阵聚焦超声换能器仅作为方便清楚描述的示例。在具体实施时，可以根据实际需要采用任何阵元数目的相控阵聚焦超声换能器4以替代。

在对灵长类大动物进行刺激时，先将灵长类大动物(如食蟹猴)固定在灵长类固定台上，并将动物的头部固定在头部固定装置上，可以但不限于使用灵长类大动物脑立体定位仪实现。再升起电磁铁1，同时升起64阵元面阵聚焦超声换能器，并通过调整换能器固定装置5和电磁铁升降旋转架3，调整电磁铁1和相控阵聚焦超声换能器4的相对位置，确保待刺激对象头部置于磁场中，且64阵元面阵聚焦超声换能器通过耦合剂可以接触到待测脑区所映射的头皮部位，通过微型计算机/工控机调整64通道脉冲超声激励源的输出参数，使焦距和焦点位置满足待刺激对象脑部靶区的条件，即可对动物脑部靶区进行经颅磁声刺激。刺激过程中，可以通过改变激励参数调节相控阵聚焦超声换能器4焦距和焦点位置，结合改变相控阵聚焦超声换能器4位置，以实现猴子不同脑部靶区刺激；通过对换能器固定装置5和电磁铁升降旋转架3的调节，即可获得不同方向的磁声耦合电场，以刺激不同走向的神经元及神经通路，实现矢量刺激。

在对人进行刺激时，先令人坐于座椅上，再将人头部固定在头部固定装置上，升起电磁铁1，同时升起64阵元面阵聚焦超声换能器，并通过调整换能器固定装置5和电磁铁升降旋转架3，调整电磁铁1和相控阵聚焦超声换能器4的相对位置，确保人头部置于磁场中，且64阵元面阵聚焦超声换能器通过耦合剂可以接触到待测脑区所映射的头皮部位，通过微型计算机/工控机调整64通道脉冲超声激励源的输出参数，使焦距和焦点位置满足人脑部靶区的条件，即可对人脑部靶区进行经颅磁声刺激。刺激过程中，可以通过改变激励参数调节相控阵聚焦超声换能器4焦距和焦点位置，结合改变相控阵聚焦超声换能器4位置，以实现人不同脑部靶区刺激；通过对换能器固定装置5和电磁铁升降旋转架3的调节，即可获得不同方向的磁声耦合电场，以刺激不同走向的神经元及神经通路，实现矢量刺激。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。