CN105288850A - 结合磁场和超声进行无创聚焦性电刺激的方法 - Google Patents

Abstract

一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，是基于一种结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置所进行的无创聚焦电刺激的方法，是将待刺激样本置于电磁场中，将待刺激样本固定，使用聚焦型超声换能器发出超声，垂直于电磁场方向射入待刺激样本，待刺激样本内产生垂直于磁场和超声的方向的电场，通过调节磁场和超声传播方向控制电刺激方向，实现电刺激。本发明，由于跟随超声振动的带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，样本中的正负电荷将沿垂直于电磁场和超声传播的方向反向移动，在被刺激样本中产生电场，该电场的分布情况与超声换能器的声场分布情况具有一致性，实现样本的聚焦电刺激。

Description

结合磁场和超声进行无创聚焦性电刺激的方法

技术领域

本发明涉及一种无创聚焦电刺激的方法。特别是涉及一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法。

背景技术

究大脑神经功能是当今科学研究最前沿的内容。其中，利用无创经颅磁刺激技术将线圈置于人体头部进行刺激，产生的磁场穿透颅骨，在脑内相应区域引起感应电场，在脑组织产生的电流密度达到或超过一定阈值时，可以激活或者抑制该区域神经活性。进而，结合核磁共振、128导脑电数据分析被刺激的神经活动在整体脑网络神经活动中引起的响应，在脑科学研究中被大量使用。但磁刺激技术在脑科学研究中面临的一个问题是聚焦性差，难以聚焦在一定区域(如平方毫米量级)内对靶组织实施刺激。本发明提供了一种结合磁场、超声技术的无创聚焦电刺激方式。

根据霍尔效应，在电磁场中运动的可导电物体会产生电荷分离的现象，进而产生电压，即霍尔电压，该现象的产生主要源于样本内部运动的正负电荷在磁场作用下受到相反方向的洛伦兹力。该原理将磁场、电场和声场结合在一起，并将该理论应用到无创聚焦电刺激领域是本发明的核心部分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种将磁场、电场和声场结合在一起的结合磁场和超声进行无创聚焦性电刺激的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，是基于一种结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置所进行的无创聚焦电刺激的方法，是将待刺激样本置于电磁场中，将待刺激样本固定，使用聚焦型超声换能器发出超声，垂直于电磁场方向射入待刺激样本，待刺激样本内产生垂直于磁场和超声的方向的电场，通过调节磁场和超声传播方向控制电刺激方向，实现电刺激。

包括如下步骤：

1)根据电磁场的方向摆放待刺激样本，使待刺激样本所需要的电刺激方向与电磁场方向垂直，并将待激励样本固定；

2)选择聚焦型超声换能器；

3)施加磁场；

4)激励超声；

5)调整电刺激方向，是通过调节聚焦型超声换能器的超声传播方向来调整待刺激样本中电刺激的方向；

6)调整电刺激强度，是通过调节聚焦型超声换能器的激励信号的强度和磁场发生与监测模块中电源的电流大小，来改变声场强度和电磁场的强度，进一步调节电刺激的强度；

7)采用传感器放置于被刺激区域，用示波器记录传感器两端所产生的电压，移动传感器，得到产生电刺激的区域面积和幅值分布，用于指导后续的电刺激应用。

步骤2)所述的选择聚焦型超声换能器，是根据待刺激样本需要进行电刺激区域的大小和位置要求，确定所需聚焦型超声换能器的焦斑和焦距，产生电刺激的频率范围在聚焦型超声换能器的频带之内，最后，再根据焦斑、焦距和频带等相关的参数选择聚焦型超声换能器。

步骤3)所述的施加磁场，是使用电磁铁对待刺激样本施加相应强度的且可调的和均匀的电磁场。

步骤4)所述的激励超声，是在超声聚焦换能器和样本之间加上耦合剂，使用超声激励源激励超声聚焦换能器发出超声信号，并将超声打入待刺激样本中。

所述的耦合剂是水或绝缘油或琼脂。

步骤7)所述的传感器是设定长度和直径的导电性的导线。

本发明的结合磁场和超声进行无创聚焦性电刺激的方法，用聚焦超声换能器向置于电磁场中的待刺激样本打入超声，超声传播方向垂直于电磁场的方向，由于跟随超声振动的带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，样本中的正负电荷将沿垂直于电磁场和超声传播的方向反向移动，在被刺激样本中产生电场，该电场的分布情况与超声换能器的声场分布情况具有一致性，实现样本的聚焦电刺激。

附图说明

图1是本发明使用的结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置的结构示意图；

图中

1：超声激励模块2：磁场发生与监测模块

3：样本4：固定装置

11：超声脉冲发射接收器12：聚焦型超声换能器

13：声耦合剂21：电源

22：电磁铁23：特斯拉计

41：底座42：精密平移台

43：旋转台44：载物盘

图2a是换能器在轴向上的声场归一化分布图；

图2b是与图2a相同换能器在磁场作用下在轴向上产生的电场分布图；

图3a是换能器在焦距处的横向截面上的声场分布图；

图3b是与图3a相同换能器在磁场作用下在焦距处的横向截面上产生电场的分布图；

图4a是对声场和电场强度进行归一化后在的轴向中心线上的分布图；

图4b是对声场和电场强度进行归一化后在焦距处的横向截面的中心线上的分布图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的结合磁场和超声进行无创聚焦性电刺激的方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法所用的装置，包括有：设置在样本3的一侧用于产生超声激励并施加于样本3上的超声激励模块1，设置在样本3的上端用于产生磁场并施加于样本3上同时监测磁场的磁感应强度的磁场发生与监测模块2，用于实现超声激励模块1的固定和精密平移以及样本3的固定和旋转调节的固定装置4。

所述磁场发生与监测模块2产生的磁场磁感线方向(如图1中z轴方向)与所述超声激励模块1产生的超声激励信号传播方向(如图1中x轴方向)垂直，所述磁场磁感线方向与产生的超声激励信号两者的矢量积方向(如图1中y轴方向)为电刺激方向，在该方向实现神经刺激，所以可根据待刺激样本需要电刺激的方向确定样本放置方向。

所述的待刺激的样本3为有一定导电性的非绝缘性样本，如生物组织等电介质。尤其适合于对生物体内部的神经纤维进行矢量刺激。

所述的超声激励模块1包括有：超声脉冲发射接收器11，用于产生超声激励信号和接收超声回波信号，驱动超声换能器，并能调节输出超声激励信号的波形幅度等参数，所述超声脉冲发射接收器11可采用美国Panametrics5072PR或者Panametrics5800PR实现；聚焦型超声换能器12，固定在所述固定装置4上，与所述超声脉冲发射接收器11相连，用于将激励电信号转换成超声信号，减小超声信号的衰减，并将超声回波信号转换成电压信号，实现电压信号和超声信号的能量转换，聚焦型超声换能器12采用美国PanametricsV303SU或美国PanametricsV301实现；声耦合剂13，设置于所述聚焦型超声换能器12和样本3之间，用于将聚焦型超声换能器12产生的超声信号耦合至样本3上，减小超声信号的衰减，所述声耦合剂13可以采用深圳OURABO的M-250A超声耦合剂或深圳MIBO的M-200PA耦合剂实现。

所述的磁场发生与监测模块2包括有：电源21，用于输出电流，所述电源21可采用北京国电亚光HY-17电源或者长春英普XD-30K电源；电磁铁22，设置于样本3上方，连接电源21用于根据不同供电电流，产生不同磁感应强度的磁场作用于样本3上，所述电磁铁22可采用长春英普SBV-300或SBV-380；特斯拉计23，设置在电磁铁22的一侧，用于实现磁场的监测，实时显示磁场的磁感应强度，所述特斯拉计23可采用美国Lakeshore475，或青岛中宇环泰931实现。

所述的固定装置4包括有：底座41，以及：精密平移台42，设置在所述底座41上，用于固定聚焦型超声换能器12，实现聚焦型超声换能器12的精密平移；旋转台43，能够360度旋转的设置在所述底座41上；载物盘44，固定在所述旋转台43的上面，用于放置待刺激的样本3，并在旋转台43的作用下实现样本3的360度旋转。其中，所述底座41可以采用长400mm，宽250mm，厚5mm的有机玻璃加工实现，所述载物盘44可以采用直径200mm，厚5mm的圆形有机玻璃板制成。所述精密平移台42可采用深圳红金杰XY60-R精密平移台或北京北光世纪PTS110精密平移台实现。所述旋转台43可采用深圳红金杰LS60-LM旋转台或者北京派迪威PT-SD206旋转台实现。所述旋转台下部与底座用螺钉连接，上部与载物盘用螺钉连接，可实现360度旋转调节。

利用本发明的一种结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置进行的初步实验，测量得到的声场和电场分布结果如图2a、图2b、图3a、图3b、图4a、图4b所示。图2a是换能器在轴向上的声场归一化分布图，图2b是相同换能器在磁场作用下在轴向上产生的电场分布图；图3a是换能器在焦距处的横向截面上的声场分布图，图3b是相同换能器在磁场作用下在焦距处的横向截面上产生电场的分布图；图4a为对声场和电场强度进行归一化后在的轴向中心线上的分布图，图4b为对声场和电场强度进行归一化后在焦距处的横向截面的中心线上的分布图。由结果可见，利用本发明的一种结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置产生的电场与超声换能器发射的声场分布一致。由电场分布可见，用于刺激的电场，刺激区域可聚焦于2‐3mm区域以内，刺激聚焦性明显提高。

本发明的结合磁场和超声进行无创聚焦性电刺激的方法，是基于图1所示的一种结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置所进行的无创聚焦电刺激的方法，是将待刺激样本置于电磁场中，将待刺激样本固定，使用聚焦型超声换能器发出超声，垂直于电磁场方向射入待刺激样本，由于带电粒子在磁场和超声作用下受到洛伦兹力作用，样本中的正负电荷沿一个方向反向移动，在被刺激样本中产生电场，待刺激样本内产生垂直于磁场和超声的方向的电场，通过调节磁场和超声传播方向控制电刺激方向，实现对待刺激样本进行电刺激。

本发明的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，具体包括如下步骤：

1)根据电磁场的方向摆放待刺激样本，使待刺激样本所需要的电刺激方向与电磁场方向垂直，并将待激励样本固定；

2)选择聚焦型超声换能器，是根据待刺激样本需要进行电刺激区域的大小和位置要求，确定所需聚焦型超声换能器的焦斑和焦距，即，电刺激区域的大小对应聚焦型超声换能器的焦距大小，电刺激区域与聚焦型超声换能器表面距离对应聚焦型超声换能器的焦距。产生电刺激的频率范围在聚焦型超声换能器的频带之内，最后，再根据焦斑、焦距和频带等选择聚焦型超声换能器；

3)施加磁场，是使用电磁铁对待刺激样本施加相应强度的且可调的和均匀的电磁场；

4)激励超声，是在超声聚焦换能器和样本之间加上耦合剂，使用超声激励源激励超声聚焦换能器发出超声信号，并将超声信号垂直打入待刺激样本中，所述的耦合剂是水或绝缘油或琼脂；

5)调整电刺激方向，是通过调节聚焦型超声换能器的超声传播方向来调整待刺激样本中电刺激的方向；

6)调整电刺激强度，是通过调节聚焦型超声换能器的激励信号的强度和磁场发生与监测模块中电源的电流大小，来改变声场强度和电磁场的强度，进一步调节电刺激的强度；

7)采用传感器放置于被刺激区域，用示波器记录传感器两端所产生的电压，移动传感器，得到产生电刺激的区域面积和幅值分布，用于指导后续的电刺激应用。所述的传感器是设定长度和直径的导电性的导线，如0.5mm直径、长度为2mm的银导线。

即用产生的电刺激刺激脑内特定神经组织，诱发脑内特定神经组织产生功能性电活动。再结合多导脑电或其他脑影像设备获取的数据分析脑神经刺激所产生的响应在时间和空间上的特征量，探讨同一神经核团在时间上的响应，不同神经核团在同一时间上的活动关联，进而研究脑神经网络活动。

Claims (7)

1.一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，是基于一种结合磁场和超声产生矢量性无创聚焦电刺激的装置所进行的无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，是将待刺激样本置于电磁场中，将待刺激样本固定，使用聚焦型超声换能器发出超声，垂直于电磁场方向射入待刺激样本，待刺激样本内产生垂直于磁场和超声的方向的电场，通过调节磁场和超声传播方向控制电刺激方向，实现电刺激。

2.根据权利要求1所述的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据电磁场的方向摆放待刺激样本，使待刺激样本所需要的电刺激方向与电磁场方向垂直，并将待激励样本固定；

2)选择聚焦型超声换能器；

3)施加磁场；

4)激励超声；

5)调整电刺激方向，是通过调节聚焦型超声换能器的超声传播方向来调整待刺激样本中电刺激的方向；

6)调整电刺激强度，是通过调节聚焦型超声换能器的激励信号的强度和磁场发生与监测模块中电源的电流大小，来改变声场强度和电磁场的强度，进一步调节电刺激的强度；

7)采用传感器放置于被刺激区域，用示波器记录传感器两端所产生的电压，移动传感器，得到产生电刺激的区域面积和幅值分布，用于指导后续的电刺激应用。

3.根据权利要求2所述的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，步骤2)所述的选择聚焦型超声换能器，是根据待刺激样本需要进行电刺激区域的大小和位置要求，确定所需聚焦型超声换能器的焦斑和焦距，产生电刺激的频率范围在聚焦型超声换能器的频带之内，最后，再根据焦斑、焦距和频带等相关的参数选择聚焦型超声换能器。

4.根据权利要求2所述的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，步骤3)所述的施加磁场，是使用电磁铁对待刺激样本施加相应强度的且可调的和均匀的电磁场。

5.根据权利要求2所述的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，步骤4)所述的激励超声，是在超声聚焦换能器和样本之间加上耦合剂，使用超声激励源激励超声聚焦换能器发出超声信号，并将超声打入待刺激样本中。

6.根据权利要求5所述的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，所述的耦合剂是水或绝缘油或琼脂。

7.根据权利要求1所述的一种结合磁场和超声产生无创聚焦电刺激的方法，其特征在于，步骤7)所述的传感器是设定长度和直径的导电性的导线。