CN107362465A - 一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，包括：含控制软件的计算机(110)、信号发生器(130)、射频放大器(140)、超声换能器(150)、同步控制模块(120)、换能器‑头皮耦合模块(151)、脑电系统(160)和信号接收端(161)，利用所述同步控制模块(120)可以将信号发生器(130)与脑电系统(160)实时通讯，实现超声刺激与脑电信号采集的完全同步。本发明提出的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，该系统可应用于基础脑认知功能研究和临床脑疾病干预治疗研究，能够实现超声刺激与脑电信号记录同步，解决多路同步或异步的独立超声刺激与对应的脑电信号同步记录及刺激标记的技术性难题。
Description
技术领域
本发明涉及经颅超声刺激神经调控技术领域，且特别涉及一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统。
背景技术
经颅超声刺激作为新兴的大脑功能调控技术，相较于现常用的神经调控技术(脑深部电刺激、经颅直流电刺激、经颅磁刺激等)，具有无创性、高空间分辨率、穿透深度高、易与其他技术相结合等优点，可对特定功能区域进行靶向刺激，因此引起了众多研究人员的关注，应用前景被广泛看好。近年来，超声刺激技术研究领域不断取得重大进展，2014年J.Tyler研究团队率先将超声刺激应用于人体，使得该技术的研究对象实现了从动物到人体的跨越，越来越多的研究者开始深入研究超声刺激对于人体的作用机制。
脑电信号的采集与研究已被广泛的应用于临床实践中，成为评价神经活动状态的重要标准，因此，结合脑电信号评价超声刺激大脑神经活动的效应成为经颅超声刺激领域的基本研究手段。需要认识到的是，相比脑电研究现已被广泛应用于各种研究领域，且有成熟的系统可供使用，经颅超声刺激仍处于发展初期，尤其是在人体上仅开展了初步的相关工作。现阶段，市场上尚无成熟的可供人体实验应用的经颅超声刺激系统，而能够实时进行经颅超声刺激与脑电信号记录实时同步的系统则更是无处可寻。这无疑影响了经颅超声刺激技术的发展速度。
以脑电信号为指标来衡量超声刺激对大脑神经活动的调控作用，所需的系统最关键的一点是需要能够实现超声刺激与脑电信号记录的同步性，即要实时地把超声刺激的时序准确地标记在同步记录的脑电信号中，从而在后续脑电信号分析时，精确地知道对应于脑电信号，超声刺激具体是什么时刻施加于目标靶点的。现阶段脑电系统已较为成熟且被广泛的应用。因此，基于现有的脑电系统，开发可实现经颅超声刺激与脑电信号记录实时同步的系统更有现实意义。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，该系统可应用于基础脑认知功能研究或临床脑疾病干预治疗研究，能够实现超声刺激与脑电信号记录同步，解决超声刺激与脑电同步的技术难题。
为了达到上述目的，本发明提出一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，包括：含控制软件的计算机(110)、信号发生器(130)、射频放大器(140)、超声换能器(150)、同步控制模块(120)、换能器-头皮耦合模块(151)、脑电系统(160)和信号接收端(161)；其中，
所述含控制软件的计算机(110)，用于发出控制超声输出指令，并呈现电生理实验范式，以及在脑电信号上进行标记的指令；
所述信号接收端(161)，用于脑电信号采集与记录；
所述信号发生器(130)，用于读取并输出储存在存储器中的特定波形的信号，从而输出预设的波形参数的信号；
所述射频放大器(140)，用于将信号发生器(130)产生的信号进行功率放大，并激励超声换能器(150)发射超声波；
所述超声换能器(150)，用于接收射频放大器(140)输出信号并转换产生超声刺激波，实现对靶点的超声刺激；
所述脑电系统(160)，用于记录人体电生理信号并将信号传输至接收端实现脑电信号的储存；同时在信号上实时标记超声刺激时间及类型。
进一步的，所述同步控制模块(120)由并口分线器和通道控制器组成。其中，并口分线器将25孔并口针脚逐一分开，并用另一并口分线器将分散的针脚合并，通道控制器可通过编辑实现并口信号传输针脚的选择以及通讯延时的设定。
进一步的，所述同步控制模块(120)中的并口分线器输出端与脑电系统(160)中的适配器相连，实现计算机(110)与脑电系统(160)的通讯。
进一步的，所述同步控制模块(120)中的通道控制器，可实现多路信号的输出端选择和编译控制信号的实时输出及延时输出。
进一步的，将同步控制模块(120)中的并口分线器用T型射频连接器从信号传输针脚引出一端，并与信号发生器(130)相连，利用所述并口分线器引出的信号传输针脚中的信号触发信号发生器(130)同步产生超声。
进一步的，计算机(110)与脑电系统(160)进行信号传输时，利用从同步控制模块(120)中的并口分线器引出的信号传输针脚传输的TTL电平来触发信号发生器，实现控制超声波的输出。
进一步的，用多个T型射频连接器从不同信号传输针脚(8个针脚)引出TTL信号，通过通道控制器编译实现最多可控制256路信号发生器。
进一步的，同步控制模块(120)中的通道控制器可实现多路信号的输出端选择和编译控制信号的实时输出及延时输出。
进一步的，通道控制器输出端与多个信号发生器(130)相连，触发多个信号发生器(130)输出，实现控制多路超声波的输出。
进一步的，多个信号发生器(130)预储存多种相同或不同的波形，同时满足不同超声刺激的参数需求。
进一步的，多个信号发生器(130)输出的波形进入多个射频放大器(140)放大之后，可激励多个超声换能器(150)进行经颅超声刺激，从而实现对不同靶点脑区的同参数或不同参数的同时刺激。
进一步的，多个超声换能器(150)对不同靶点脑区进行同参数或不同参数的异步刺激。
进一步的，多个信号发生器(130)输出的不同波形进入多个射频放大器(140)放大之后，同时与一个超声换能器(150)相连，实现对特定部位用不同的参数进行逐次刺激。
进一步的，所述换能器-头皮耦合模块(151)为自主配制的PVA聚合物，但不仅限于此方法实现，PVA聚合物可按超声换能器(150)的尺寸制定。
进一步的，所述换能器-头皮耦合模块(151)与超声换能器(150)的阵元面紧密结合，并且所述换能器-头皮耦合模块(151)依靠大气压强紧紧吸附在超声换能器(150)外周。
本发明提出的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，可仅用一个控制端实现对单路或者多路超声刺激与脑电信号记录的控制，并且将两者实时完全同步，且通过脑电系统在所记录的脑电上标记施加超声刺激的时间信息和刺激类型信息。同时，本发明亦可实现仅用一个控制端控制多路不同参数的超声同步或异步输出。实现对不同靶点脑区的同参数或不同参数的同时刺激，以及对特定部位的用不同参数的逐次超声刺激。
附图说明
图1为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的基本系统框图。
图2为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的多路信号多换能器系统框图。
图3为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的多路信号单换能器系统框图。
图4为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的并口分线示意图。
图5为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的超声刺激波形示意图。
图6为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的超声换能器固定装置结构图。
图7为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的换能器-头皮耦合模块与超声换能器固定结构图及剖面。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，图1为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的基本系统框图。本发明提出一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，包括：含控制软件的计算机(110)、信号发生器(130)、射频放大器(140)、超声换能器(150)、同步控制模块(120)、换能器-头皮耦合模块(151)、脑电系统(160)和信号接收端(161)；其中，
所述含控制软件的计算机(110)，用于发出控制超声输出指令，并呈现电生理实验范式，并输出标记指令信号给脑电系统以标记所采集的脑电信号；
所述信号接收端(161)，用于脑电信号采集与记录；
所述信号发生器(130)，用于读取并输出储存在存储器中的特定波形的信号，从而输出预设的波形参数的信号；
所述射频放大器(140)，用于将信号发生器(130)产生的信号进行功率放大，并激励超声换能器(150)发射超声波；
所述超声换能器(150)，用于接收射频放大器(140)输出信号并转换产生超声刺激波，实现对靶点的超声刺激；
所述脑电系统(160)，用于记录人体电生理信号并将信号传输至接收端实现脑电信号的储存；同时在信号上实时标记超声刺激时间及类型。
根据本发明较佳实施例，计算机(110)用于呈现心理学实验范式和记录实验行为学数据，同时将标记指令信号传输到信号接收端(161)，并利用此通讯信号控制超声输出指令。
所述同步控制模块(120)中的分线器，将25孔并口针脚逐一分开，并用另一并口分线器将分散的针脚合并。
所述同步控制模块(120)中的并口分线器组合体输出一端与脑电系统(160)中的适配器相连，实现计算机(110)与脑电系统(160)的通讯。
所述同步控制模块(120)中的通道控制器，可实现多路信号的输出端选择和编译控制信号的实时输出及延时输出。
进一步的，将同步控制模块(120)中的并口分线器用T型射频连接器从信号传输针脚引出一端，并与信号发生器(130)相连，利用所述并口分线器引出的信号传输针脚中的信号触发信号发生器(130)同步产生超声。
进一步的，计算机(110)与脑电系统(160)进行信号传输时，利用信号传输针脚传输的TTL电平用来触发信号发生器，实现控制超声波的输出。
请参考图2，图2为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的多路信号多换能器系统框图。在同步控制模块中，用多个T型射频连接器(BNC三通接头)从不同信号传输针脚引出TTL信号，信号经通道控制器与多个信号发生器(130)相连，触发多个信号发生器(130)输出，实现控制多路超声波的独立输出。
进一步的，多个信号发生器(130)预储存多种相同或不同的波形，同时满足不同超声刺激的参数需求。
多个信号发生器(130)输出的波形进入多个射频放大器(140)放大之后，可激励多个超声换能器(150)进行经颅超声刺激，从而实现对不同靶点脑区的同参数或不同参数的同时刺激。
进一步的，多个超声换能器(150)对不同靶点脑区进行同参数或不同参数的异步刺激。
请参考图3，图3为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的多路信号单换能器系统框图。多个信号发生器(130)输出的不同波形进入多个射频放大器(140)放大之后，同时与一个超声换能器(150)相连，实现对特定部位用不同的参数进行逐次刺激。
请参见图4，图4为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的并口分线示意图。所述同步控制模块(120)中的并口分线器将并口中的25个针脚一一引出，并用BNC公对公头(220)与另一并口分线将针脚聚合，其中每一根信号传输针脚在两个分线的衔接处用三通接头(230)引出一端。含控制软件的计算机(110)发出的控制信号通过同步控制模块(120)中的并口分线器与BP脑电系统(160)通讯，用三通接头从并口分线器引出的信号传输针脚与信号发生器(130)相连，用该信号触发信号发生器同步产生超声波形。
根据本发明较佳实施例，所述换能器-头皮耦合模块(151)为自主配制的PVA凝胶，但不仅限于此方法实现。PVA凝胶可按超声换能器(150)的尺寸制定。进一步的，所述换能器-头皮耦合模块(151)与超声换能器(150)的阵元面紧密结合，并且所述换能器-头皮耦合模块(151)依靠大气压强紧紧吸附在超声换能器(150)外周。
在本实施例中，实验所需超声波形参数请参见图5，图5为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的超声刺激波形示意图。信号发生器(130)用于读取并输出储存在USB存储器中的超声波形，并调节超声波形的基本参数，包括但不限于基本频率、占空比、脉冲声群数、脉冲重复频率、脉冲间歇时间等，将所需实验波形输出进入射频放大器。
在本实施例中，射频放大器(140)用于将信号发生器(130)产生的超声波形进行功率放大，并激励超声换能器(150)发射超声波。
超声换能器(150)用于接收射频放大器(140)输出的信号并转换产生超声波，并将超声波聚焦实现对靶点的刺激。
BP脑电系统(160)利用脑电帽采集记录脑电信号并将信号传输并储存至信号接收端。
在本实施例中，请参见如图6，图6为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的超声换能器固定装置结构图。其所示为本发明一实施例所提供的用以固定换能器转接头的装置结构示意图。
该超声换能器固定装置设置于万向金属软管(310)一端，其包括转接头放置槽(320)、转接头(340)六角螺丝钉(330)和M10内牙槽(350)。转接头放置槽(320)按稍大于标准转接头尺寸定制，放置槽一面有细缝，细缝面附有螺丝钉，通过拧紧所述螺丝钉(330)挤压细缝面使放置槽产生形变，从而固定转接头(340)。所述固定装置通过M10内牙(350)与金属软管(310)一端的M10外牙相连成一整体。
在本实施例中，请参见如图6，万向金属软管(310)一端与固定夹通过螺纹相连，另一端与换能器固定装置相连，换能器固定装置通过拧紧六角螺丝钉(330)与转接头(340)紧密咬合，转接头(340)可与不同尺寸大小的换能器相连，因此，通过固定转接头(340)来固定超声换能器，方便后续与不同尺寸大小的换能器连接。
在本实施例中，请参见如图7，图7为所示本发明的一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步系统的换能器-头皮耦合模块与超声换能器固定结构图及剖面。本实施例中，换能器-头皮耦合模块以自制PVA凝胶实现，但不限于这一种实现。按照超声换能器形状与尺寸，结合所需凝胶形状制定模具并制作PVA凝胶(410)，在PVA凝胶(410)与换能器阵元面(420)贴合面涂上足量的耦合剂(430)，保证PVA凝胶(410)与换能器阵元面(420)之间无空隙，紧密结合。同时，凝胶无空隙地包裹在换能器外周，利用凝胶的弹性及大气的压强，实现凝胶与换能器牢固结合。
在本实施例中，通过调节金属软管(310)角度，使PVA凝胶(410)与被试头部靶向位置紧密贴合并固定。综上所述，本发明可仅用一个控制端实现对超声刺激与脑电信号记录的控制，并且将两者实时完全同步，并且换能器可以自由活动实现对人体头部的准确定位。
综上所述，本发明可仅用一个控制端实现对单路或者多路超声刺激与脑电信号记录的控制，并且将两者实时完全同步，且通过脑电系统在所记录的脑电上标记施加超声刺激的时间信息和刺激类型信息。同时，本发明亦可实现仅用一个控制端控制多路不同参数的超声同步或异步输出。实现对不同靶点脑区的同参数或不同参数的同时刺激，以及对特定部位的用不同参数的逐次超声刺激。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (13)
1.一种用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于，包括：含控制软件的计算机(110)、信号发生器(130)、射频放大器(140)、超声换能器(150)、同步控制模块(120)、换能器-头皮耦合模块(151)、脑电系统(160)和信号接收端(161)；其中，
所述含控制软件的计算机(110)，用于发出控制超声输出指令，呈现电生理实验范式，并输出标记信号给脑电系统以标记所采集的脑电信号；
所述信号接收端(161)，用于脑电信号采集与记录；
所述信号发生器(130)，用于读取并输出储存在存储器中的特定波形的信号，从而输出预设的波形参数的信号；
所述射频放大器(140)，用于将信号发生器(130)产生的信号进行功率放大，并激励超声换能器(150)发射超声波；
所述超声换能器(150)，用于接收射频放大器(140)输出信号并转换产生超声刺激波，实现对靶点的超声刺激；
所述脑电系统(160)，用于记录人体电生理信号并将信号传输至接收端实现脑电信号的储存；同时在信号上实时标记超声刺激时间及类型。
2.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:所述同步控制模块(120)由并口分线器和通道控制器组成。其中，并口分线器将25孔并口针脚逐一分开，并用另一并口分线器将分散的针脚合并，通道控制器可通过编辑实现并口信号传输针脚的选择以及通讯延时的设定。
3.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:所述同步控制模块(120)中的并口分线器输出端与脑电系统(160)中的适配器相连，实现计算机(110)与脑电系统(1260)的通讯。
4.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:所述同步控制模块(120)中的通道控制器，可实现多路信号的输出端选择和编译控制信号的实时输出及输出时延。
5.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:将同步控制模块(120)中的并口分线器用T型射频连接器从信号传输针脚引出一端，并与信号发生器(130)相连，利用所述并口分线器引出的信号传输针脚中的信号触发信号发生器(130)同步产生超声。
6.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:计算机(110)与脑电系统(160)进行信号传输时，利用并口分线器的信号传输针脚传输的TTL电平来触发信号发生器，实现控制超声波的输出。
7.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:用多个T型射频连接器从不同信号传输针脚引出TTL信号进入通道控制器，通过编译通道控制器实现最多可控制256路信号发生器。通道控制器输出端与多个信号发生器(130)相连，触发多个信号发生器(130)输出，实现控制多路超声波的输出。
8.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:多个信号发生器(130)预储存多种相同或不同的波形，同时满足不同实验的参数需求。
9.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:多个信号发生器(130)输出的波形进入多个射频放大器(140)放大之后，可激励多个超声换能器(150)进行经颅超声刺激，从而实现对不同靶点脑区的同参数或不同参数的同步刺激。
10.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:多个超声换能器(150)对不同靶点脑区进行同参数或不同参数的异步刺激。
11.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:多个信号发生器(130)输出的不同波形进入多个射频放大器(140)放大之后，同时与一个超声换能器(150)相连，实现对特定部位用不同的参数进行逐次刺激。
12.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:所述换能器-头皮耦合模块(410)为自主配制的PVA聚合物，PVA聚合物可按超声换能器(150)的尺寸制定。
13.根据权利要求1所述的用于人体经颅超声刺激与脑电记录同步的系统，其特征在于:所述换能器-头皮耦合模块(410)与超声换能器(150)的阵元面紧密结合，并且所述换能器-头皮耦合模块(151)依靠大气压强紧紧吸附在超声换能器(150)外周。
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