CN105251141A - 一种闭环式经颅磁声刺激装置 - Google Patents
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Abstract
一种闭环式经颅磁声刺激装置，包括计算机、信号发生器、功率放大器、聚焦超声换能器、微丝电极阵列、差分放大器、信号采集卡以及磁铁。计算机与信号发生器通过数据线互通连接，信号发生器的输出端与功率放大器输入端通过数据线连接，功率放大器的输出端与超声换能器的信号输入端通过数据线连接，微丝电极阵列的输入端获取脑神经电信号，微丝电极阵列的输出端与差分放大器输入端通过数据线相连，差分放大器的输出端与信号采集卡输入端的A/D接口通过数据线接通，信号采集卡的输出端与计算机通过数据线连接。试验样品置于超声换能器下方，在试验样品两侧设有磁铁。本发明具有高空间分辨率、操作方便、刺激精准、无损伤等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用无损测试技术，尤其是一种闭环式经颅磁声刺激装置。
背景技术
经颅超声刺激是新近发展起来的一种大脑功能刺激技术，该技术透过完整的颅骨传递超声能量，能无创伤地调制大脑的神经活动。经颅超声刺激技术是一种利用低强度聚焦超声波作用于脑组织，对神经元产生生物机械效应，影响神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的脑调控技术。已知，超声波具有很好的穿透性，它能穿透骨骼和软组织甚至金属结构，因此超声波在医疗与工业上具有广泛的应用。
当前，药物化学治疗神经系统对人体有一定副作用。为了弥补药物治疗的不足，人们使用电、光、磁等物理疗法对脑神经进行刺激。如深度脑刺激，虽然刺激目标性强但要求对大脑植入电极，手术存在较大风险。而经颅磁刺激技术虽然能做到无侵性，提高了安全性，但却存在刺激深度不够与低空间分辨率等问题。
另外，现有技术中用于治疗脑神经系统疾病的设备大部分都是开环设备，不能够自动预测脑电信号中的棘波节律的相位；也不能根据用户的需求在所需时刻发出刺激信号，无法满足现代医疗的需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种操控方便、无损伤、高空间分辨率的闭环式经颅磁声刺激装置。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述装置包括计算机、信号发生器、功率放大器、聚焦超声换能器、微丝电极阵列、差分放大器、信号采集卡以及磁铁；
其中，计算机通过数据线与信号发生器的输入端互通连接，计算机安装有控制软件，通过控制软件控制信号发生器；信号发生器的输出端通过数据线与功率放大器输入端连接，功率放大器的输出端通过数据线与聚焦超声换能器的信号输入端连接，信号发生器发出的信号经功率放大器放大后驱动聚焦超声换能器发出脉冲超声波；在聚焦超声换能器下方为工作区域，在工作区域两侧对称安装磁铁，磁铁形成静磁场；微丝电极阵列的微丝电极置于聚焦超声换能器下方的静磁场区域内，微丝电极阵列的输出端通过数据线与差分放大器的输入端相连，差分放大器的输出端通过数据线与信号采集卡输入端的A/D接口接通，信号采集卡的输出端通过数据线与计算机连接，计算机通过控制软件采集信号采集卡输出的信号。
优选地，所述计算机中的控制软件为Labview控制软件，计算机发出的信号频率范围为1Hz～10MHz。
优选地，所述信号采集卡为NIUSB-6251数字信号采集卡，采样频率设置为20kHz。
优选地，所述差分放大器的滤波频率为0.3Hz～5KHz，放大倍数为100倍。
优选地，所述微丝电极阵列的微丝电极为镍铬合金电极。
优选地，所述聚焦超声换能器为DAPING-D10超声换能器，直径为3mm～15mm、焦长5mm～50mm。
优选地，所述信号发生器为NIPCI-5421信号发生器，产生的脉冲信号基波频率为0.35MHz～0.7MHz。
工作过程大致如下：
将微丝电极阵列的微丝电极固定在患者头部，通过微丝电极采集患者头部的神经电信号，采集到的神经电信号经过差分放大器放大之后，再由信号采集卡的A/D口采样，信号采集卡将信号传递给计算机，经过计算机自动判断及预测过程后，根据用户设置参数的要求，在即将到来的棘波节律的特征位置，经信号发生器的I/O口给出刺激信号，刺激信号经过信号发生器的I/O口、功率放大器、聚焦超声换能器、静磁场后，到达患者头部，患者头部中的神经组织离子在静磁场和脉冲超声的共同作用下，发生移动产生电流，进而刺激神经组织，诱发神经元产生动作电位，再经微丝电极采集信号，计算机再次获取患者头部的神经电信号，如此往复，形成一个闭环控制系统对患者进行闭环式神经刺激或脑调控。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过超声波和磁场共同进行神经刺激，属于无损伤神经刺激方法，能够刺激或抑制脑部神经元活动。
2、使用闭环式控制系统，能自动预测脑电信号中的棘波节律的相位，检测癫痫棘波。
3、可根据用户的设置，在所需时刻发出刺激信号，为大脑神经系统工作机理和作用机制的深入研究提供了有用的工具。
4、操作简单，能够进行精准刺激，具有很高的空间分辨率。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
附图标号：1-聚焦超声换能器、2-磁铁、3-功率放大器、4-信号发生器、5-微丝电极阵列、6-差分放大器、7-信号采集卡、8-计算机、9-样品。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的本发明的结构框图中，本发明所述装置包括聚焦超声换能器1、磁铁2、功率放大器3、信号发生器4、微丝电极阵列5、差分放大器6、信号采集卡7、计算机8、样品9，样品为大鼠；
其中，计算机通过数据线与信号发生器的输入端互通连接，计算机安装有控制软件，通过控制软件控制信号发生器；信号发生器的输出端通过数据线与功率放大器输入端连接，功率放大器的输出端通过数据线与聚焦超声换能器的信号输入端连接，信号发生器发出的信号经功率放大器放大后驱动聚焦超声换能器发出脉冲超声波；在聚焦超声换能器下方为工作区域，在工作区域两侧对称安装磁铁，磁铁形成静磁场；微丝电极阵列的微丝电极置于聚焦超声换能器下方的静磁场区域内，微丝电极阵列的输出端通过数据线与差分放大器的输入端相连，差分放大器的输出端通过数据线与信号采集卡输入端的A/D接口接通，信号采集卡的输出端通过数据线与计算机连接，计算机通过控制软件采集信号采集卡输出的信号。
所述计算机中的控制软件为Labview控制软件，计算机发出的信号频率范围为1Hz～10MHz。
所述信号采集卡为NIUSB-6251数字信号采集卡，采样频率设置为20kHz。
所述差分放大器的滤波频率为0.3Hz～5KHz，放大倍数为100倍。
所述微丝电极阵列的微丝电极为镍铬合金电极。
所述聚焦超声换能器为DAPING-D10超声换能器，直径为3mm～15mm、焦长5mm～50mm。
所述信号发生器为NIPCI-5421信号发生器，产生的脉冲信号基波频率为0.35MHz～0.7MHz。
本发明所述装置的使用方法，以大鼠为样品，包括以下操作步骤：
(1)将微丝电极固定在大鼠头部，将大鼠头部放置在超声换能器下面，置于磁铁或者通直流电的线圈发出的静磁场中，头部接触超声换能器底部；
(2)装有Labview控制软件的计算机发出的刺激信号经过信号发生器后产生刺激信号，再经功率放大器后，传递给超声换能器，超声换能器进而发出脉冲超声波；
(3)超声换能器发出的脉冲超声波经过超声耦合介质后，到达头部，头部中的神经组织离子在静磁场和脉冲超声的共同作用下受到洛伦兹力，发生移动产生电流，进而刺激神经组织，引起神经生理变化；
(4)微丝电极阵列采集到的头部神经电信号，传递给差分放大器，差分放大器进而将神经电信号放大，并传输给信号采集卡；
(5)信号卡的A/D口对神经电信号进行采样，传递给带有控制软件的计算机，计算机对采集的神经电信号进行分析与预测；
(6)计算机对神经电信号预测之后，根据用户的要求，在即将到来的棘波节律的特征位置发出刺激信号；
(7)计算机发出的刺激信号，经过信号发生器的I/O口、功率放大器，传递到超声换能器，超声换能器产生发出脉冲超声波；
(8)超声换能器产生的脉冲超声波经过超声耦合介质后，头部中的神经组织离子在静磁场和脉冲超声的共同作用下，发生移动产生电流，进而刺激神经组织，引起神经生理变化，从而诱发神经元产生动作电位。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述装置包括计算机、信号发生器、功率放大器、聚焦超声换能器、微丝电极阵列、差分放大器、信号采集卡以及磁铁；
其中，计算机通过数据线与信号发生器的输入端互通连接，计算机安装有控制软件，通过控制软件控制信号发生器；信号发生器的输出端通过数据线与功率放大器输入端连接，功率放大器的输出端通过数据线与聚焦超声换能器的信号输入端连接，信号发生器发出的信号经功率放大器放大后驱动聚焦超声换能器发出脉冲超声波；在聚焦超声换能器下方为工作区域，在工作区域两侧对称安装磁铁，磁铁形成静磁场；微丝电极阵列的微丝电极置于聚焦超声换能器下方的静磁场区域内，微丝电极阵列的输出端通过数据线与差分放大器的输入端相连，差分放大器的输出端通过数据线与信号采集卡输入端的A/D接口接通，信号采集卡的输出端通过数据线与计算机连接，计算机通过控制软件采集信号采集卡输出的信号。
2.根据权利要求1所述的一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述计算机中的控制软件为Labview控制软件，计算机发出的信号频率范围为1Hz～10MHz。
3.根据权利要求1所述的一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述信号采集卡为NIUSB-6251数字信号采集卡，采样频率设置为20kHz。
4.根据权利要求1所述的一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述差分放大器的滤波频率为0.3Hz～5KHz，放大倍数为100倍。
5.根据权利要求1所述的一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述微丝电极阵列的微丝电极为镍铬合金电极。
6.根据权利要求1所述的一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述聚焦超声换能器为DAPING-D10超声换能器，直径为3mm～15mm、焦长5mm～50mm。
7.根据权利要求1所述的一种闭环式经颅磁声刺激装置，其特征在于：所述信号发生器为NIPCI-5421信号发生器，产生的脉冲信号基波频率为0.35MHz～0.7MHz。
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