CN107693962B - 一种头戴式超声传导装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于超声神经刺激研究技术领域，公开了一种头戴式超声传导装置，包括可置于实验动物颅骨上的底座和连接于所述底座的顶盖，所述底座内具有用于容纳耦合剂的内腔，所述顶盖连接有工作面朝向于所述内腔底部的超声换能器；所述头戴式超声传导装置还包括用于将所述底座固定于实验动物颅骨的固定器件，所述固定器件包括前端可嵌入实验动物颅骨的颅骨连接件，所述底座贴于实验动物颅骨且与所述固定器件直接连接或通过粘结剂连接。本发明所提供的一种头戴式超声传导装置，其可实现对自由活动的实验动物的大脑实施位置准确可控、可重复操作的超声刺激，适合用于开展与感觉、情感、认知等和记忆有关的动物实验，实施效果佳。

Description

一种头戴式超声传导装置

技术领域

本发明属于超声神经刺激研究技术领域，尤其涉及一种头戴式超声传导装置。

背景技术

神经刺激和神经调控是指采用电、光、声、冷热或者机械等物理性刺激以及化学性刺激，作用于活体神经系统(如生物体、器官、组织、细胞等)并引起反应的过程。按刺激调控的效果可分为使功能显示或增强的兴奋性刺激和使功能消失或减弱的抑制性刺激。通过刺激，调控神经活动，有助于研究神经系统疾病及精神疾病，同时也是研究人脑感受、动作和认知功能的基本手段。

超声刺激属于既古老又新兴的无创神经刺激手段。早在1929年，已经出现超声对蛙、龟的神经(心)肌肉的有效调控的文献报道。随后在1958年，有文献记录超声穿透开颅猫的颅骨，并能可逆地抑制视网膜的光激发电位。高强度聚焦超声(HIFU)常用作中枢神经系统的干预手段。2008年，Tyler等证实超声刺激海马脑片，可激发动作电位、压控钠离子、钙离子瞬态及突触传递。2010年，Tyler团队首次正面经颅超声刺激小鼠颅脑运动皮层，可诱发动作电位，引起肢体及尾巴的动作响应。从此，采用超声作为神经刺激和调控的手段引起人们的广泛关注。

然而，超声刺激的作用机制和应用参数尚未足够明确。除了开展基于细胞和离体组织的研究外，针对清醒、可自由活动的啮齿类小动物(尤其是疾病模型丰富、在生物医药领域被广泛使用的小鼠)开展与记忆学习认知相关的行为学实验也非常重要。但是，目前针对动物的超声刺激，通常采用体积庞大的单阵元聚焦超声换能器来实现。由于这种换能器体积大，重量重，在使用过程中，探头必须由相应的定位装置来固定，而被刺激的动物则需要被麻醉，其头部也需要被固定。上述这些步骤极大限制了行为学实验的开展。设计适用于清醒、自由活动小动物的超声刺激装置，将有助于推动超声刺激技术在神经科学的研究应用。

现有技术中，申请号为201610326489.0的专利文献“可穿戴经颅超声神经刺激与电生理记录联合系统与方法”，提出了一种可穿戴经颅超声神经刺激与电生理记录联合系统，包括：计算机控制与数据处理单元、数模/模数转换单元、功率放大器、可穿戴超声换能器、电极组件和信号放大单元。当中提及的“可穿戴超声换能器”仅提及换能器与实验对象通过密封胶布固定，相互接触面要耦合处理。显然，对于清醒动物，其活动频繁且头皮相对颅骨极容易滑动，仅用密封胶布是难以准确可靠地固定超声探头来实施超声刺激。此外，专利中提及的电极组件是通过在超声换能器上设置通孔来实现记录电极的安装，上述的密封胶布固定换能器的方法难以保证记录电极的合理安装。

申请号为申请号为201610327257.7的文献“一种无线控制的可穿戴式超声神经刺激装置”，提出了一种无线可穿戴式的超声神经刺激的装置，包括：用户控制终端、控制发射芯片、超声换能器和贴片外壳。当中提及的“贴片外壳”仅提及贴片外壳与作用对象间填充耦合剂并通过密封胶布固定。显然，对于清醒动物，其活动频繁且头皮相对颅骨极容易滑动，仅用密封胶布是难以准确可靠地固定超声探头；而超声换能器与作用对象之间并未提及采用有效结构来防止耦合剂滑落流失。

申请号为201710138442.6的专利文献“清醒动物超声神经调控装置”，提出了清醒动物神经调控装置，包括：脉冲信号发生模块、超声换能器模块和固定模块。当中提及的“固定模块”仅笼统地描述通过行业通用的方法把固定模块固定在动物神经调控靶点。然而，如何设计合理的结构来实现超声换能器与颅骨的可靠连接并保证超声能有效传导至颅骨内部，对整个超声刺激系统来说是极其关键的技术，上述专利并没有对此提出可行方案。

现有技术中，超声神经刺激技术采用体积较大、重量较重的超声探头来实现超声刺激，被刺激的动物则需要被麻醉，其头部也需要被固定，因此上述超声刺激不适合用于开展与感觉、情感、认知和记忆有关的动物实验。而且，现有的可穿戴式超声刺激方案(申请号为201610326489.0、201610327257.7、201710138442.6的文献)，并未明确提出如何把超声换能器可靠固定在头颅的技术或仅简单提及采用密封胶布的固定方式。

综上，现有技术中，针对超声神经刺激技术领域中对小动物的刺激装置，其难以对清醒、可自由活动的小动作施以准确可控、可重复的刺激，具有实施效果欠佳等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种头戴式超声传导装置，其可以在实验动物清醒、可自由活动的情况对实验动物进行超声神经刺激研究等，通过对自由活动的实验动物的大脑实施位置准确可控、可重复操作的超声刺激，适合用于开展与感觉、情感、认知等和记忆有关的动物实验，实施效果佳。

本发明的技术方案是：一种头戴式超声传导装置，其特征在于，包括可置于实验动物颅骨上的底座和连接于所述底座的顶盖，所述底座内具有用于容纳耦合剂的内腔，所述顶盖连接有工作面朝向于所述内腔底部的超声换能器；所述头戴式超声传导装置还包括用于将所述底座固定于实验动物颅骨的固定器件，所述固定器件包括前端可嵌入实验动物颅骨的颅骨连接件，所述底座贴于实验动物颅骨且与所述固定器件直接连接或通过粘结剂连接。

可选地，所述底座靠近底部的侧面设置有凸起结构；或者/和，所述底座靠近底部的侧面设置有凹槽结构。

可选地，所述颅骨连接件为螺纹连接件，所述粘结剂为牙科水泥；

所述凸起结构为外翻凸沿，所述粘结剂连接于所述颅骨连接件和所述外翻凸沿；

或者，所述凹槽结构为设置于所述底座外侧面的凹槽，所述粘结剂连接于所述颅骨连接件且嵌于所述凹槽内。

可选地，所述底座靠近于所述实验动物颅骨前侧的一侧设置有第一凸出部，或者/和，所述底座靠近于所述实验动物颅骨后侧的一侧设置有第二凸出部。

可选地，所述底座的底部设置为曲面结构，或者/和，所述底座的底部设置有弹性垫圈。

可选地，所述底座呈上大下小的倒锥状，或者/和，所述顶盖固定或可拆卸式连接于所述底座的顶部。

可选地，所述顶盖通过旋卡结构、卡扣结构或螺纹结构连接于所述底座。

可选地，所述底座设置有至少一个L形锁槽，所述L形锁槽上端开口，且所述L形锁槽上端开口位于所述底座的上端面，所述顶盖设置有可卡于所述L形锁槽的锁块。

可选地，所述顶盖内侧设置有用于对所述超声换能器进行限位的凸起结构；或者/和，所述顶盖内侧设置有于容纳线缆的导线凹槽。

可选地，所述底座的侧面设置有用于实现超声刺激与电生理采集、电刺激、给药、微透析、光刺激、光成像中至少一种的导管结构，所述导管结构包括至少一根导管，所述导管内设置有电极、细管或光纤中的至少一种。

本发明所提供的本发明实施例所提供的一种头戴式超声传导装置，其可实现对自由活动的实验动物的大脑实施位置准确可控、可重复操作的超声刺激，并且允许在超声刺激的同时附加颅内给药、微透析、电刺激、光刺激或者电生理采集的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种头戴式超声传导装置连接于实验动物颅骨的主视图；

图2是本发明实施例提供的一种头戴式超声传导装置连接于实验动物颅骨的右视图；

图3是本发明实施例提供的一种头戴式超声传导装置连接于实验动物颅骨的主视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种头戴式超声传导装置，包括可置于实验动物颅骨9上的底座2和连接于底座2的顶盖1，底座2内具有用于容纳耦合剂的内腔，底座2的上下两端开口，下端开口位于实验动物颅骨9上，上端开口用于连接顶盖1；顶盖1连接有工作面朝向于内腔底部(即实验动物颅骨9)的超声换能器(图中未示出)，头戴式超声传导装置还包括用于将底座2固定于实验动物颅骨9的固定器件，固定器件包括前端可嵌入实验动物颅骨的颅骨连接件31，颅骨连接件31的前端可以嵌入连接于实验动物颅骨9，颅骨连接件31不易松脱，其连接可靠性佳，底座2的底部贴于实验动物颅骨9，且底座2与颅骨连接件31直接连接或通过粘结剂32连接。即底座2可以直接由颅骨连接件31固定，或者，底座2也可以通过粘结剂32与颅骨连接件31连接而固定。颅骨连接件31可为螺纹连接件(例如颅骨螺钉)，其前端可以螺纹固定于实验动物颅骨9而不损伤实验动物的脑组织，且可以使底座2可以稳定、可靠地贴于实验动物颅骨9，从而可以在实验动物清醒、可自由活动的情况对实验动物进行超声神经刺激研究等，通过对自由活动的实验动物的大脑实施位置准确可控、可重复操作的超声刺激，适合用于开展与感觉、情感、认知等和记忆有关的动物实验，而且，本实施例所提供的一种头戴式超声传导装置，其体积小、重量轻，不仅可以适用于兔子等中小型动物的研究，还可以适用于小白鼠等小型动物的研究。

可选地，所述底座2靠近底部的侧面设置有用于连接所述粘结剂32或所述颅骨连接件31的凸起结构；或者/和，如图3所示，所述底座2靠近底部的侧面设置有用于连接所述粘结剂32或所述颅骨连接件31的凹槽结构。

可选地，凸起结构可为外翻凸沿23，以增加与粘结剂32的接触面，连接可靠性高。当然，也可以使颅骨连接件31直接压于外翻凸沿23，或者，在外翻凸沿23设置用于供颅骨连接件31穿过的孔位。具体应用中，颅骨连接件31设置有一颗或至少两颗且位于外翻凸沿23的周围，粘结剂32连接于颅骨连接件31和外翻凸沿23。颅骨连接件31设置有多个时，粘结剂32和颅骨连接件31可以分设于左右两侧或/和前后两侧。粘结剂32和颅骨连接件31的数量和排布方式也可以根据实际情况设定。外翻凸沿23可呈环状，也可以呈柱状、块状或片状等。

可选地，如图3所示，所述凹槽结构为设置于所述底座2外侧面的凹槽20，所述粘结剂32连接于所述颅骨连接件31且嵌于所述凹槽20内。凹槽20可为环形凹槽或沿底座2周向设置的独立凹槽(例如圆形凹槽或矩形凹槽)，部分粘结剂32(例如牙科水泥)嵌入凹槽20内形成倒扣结构，连接稳固性高。

可选地，粘结剂32可为凝固后具有足够机械强度的粘合剂，例如牙科水泥或其它类型的粘结剂32。

可选地，底座2靠近于实验动物颅骨9前侧的一侧设置有第一凸出部21，或者/和，底座2靠近于实验动物颅骨9后侧的一侧设置有第二凸出部22，凸出部(第一凸出部21和第二凸出部22)的数量和具体结构可以根据实际实况设定，用于增加牙科水泥对底座2的固定强度。

可选地，底座2的底部(外翻凸沿23)设置为曲面结构，其可以与实验动物颅骨9的颅骨形状匹配，例如，底座2的底部可以呈马鞍形等合适形状。

可选地，底座2的底部可以设置有弹性垫圈(图中未示出)，弹性垫圈可以硅胶垫圈等，密封性佳，且具有一定缓冲的作用。

可选地，底座2呈上大下小的倒锥状，底座2下端开口尺寸相对较小，以与实验动物的头部大小所匹配。底座2上端开口尺寸较大，可以安装直径较大的超声换能器，可以采用低频、高强的超声波对实验动物进行刺激。

可选地，顶盖1内超声换能器的压电材料可以采用压电复合材料、压电陶瓷、压电单晶材料及其它压电材料，压电材料的厚度可在0.01-3mm范围；超声换能器可以是单阵元超声换能器或多阵元超声换能器，也可以是聚焦超声换能器或平面超声换能器。顶盖1内的超声换能器可采用空气背衬，也可填充其他材料作为背衬。

可选地，顶盖1固定或可拆卸式连接于底座2的顶部。具体应用中，顶盖1可以通过旋卡结构、卡扣结构或螺纹结构等可拆卸连接于底座2，顶盖1可以方便、快捷地反复拆顶盖1装。当然，作为替代方案，顶盖1也可以固定连接于底座2，或者，顶盖1与底座2一体连接。

可选地，为了更便于拆装顶盖1，可以在顶盖1外侧设置有防滑结构。防滑结构可为凸起11或/和凹槽。

本实施例中，底座2设置有至少两个L形锁槽24，L形锁槽24贯通于底座2的侧壁，L形锁槽24上端开口，且L形锁槽24上端开口位于底座2的上端面，顶盖1设置有可卡于L形锁槽24的锁块14，锁块14的数量可与L形锁槽24的数量相等。锁块14可呈柱状或蘑菇状。锁块14可以从L形锁槽24上端开口纵向卡入，然后旋转顶盖1，使锁块14横向卡于L形锁槽24内，操作方便且可靠性佳。安装顶盖1和超声换能器时，预先灌入底座2的超声耦合剂能在填满底座2内腔空间后从L形锁槽24自动溢出，保证超声耦合剂充满于超声换能器与实验动物颅骨9之间。L形锁槽24也可以采用其它结构形状的锁槽，L形锁槽24的数量可以根据实际情况设定

可选地，可以在底座2靠近上端处设置有溢流孔，若顶盖1与底座2之间通过螺纹结构连接，安装顶盖1和超声换能器时，预先灌入底座2的超声耦合剂能在填满底座2内腔空间后从溢流孔流出。

可选地，顶盖1的顶部可以设置有导线过孔和螺丝孔，以便于安装超声换能器等。

可选地，顶盖1内侧设置有用于对超声换能器进行限位的凸起结构(图中未示出)，以便于超声换能器的安装和定位。具体应用中，凸起结构可为一体成型于顶盖1内侧或固定连接于顶盖1内侧的凸环或凸杆等。

可选地，顶盖1内侧设置有于容纳线缆的导线凹槽(图中未示出)，线缆连接于超声换能器，超声换能器的直径可以与顶盖1的内径匹配，超声换能器不会松动，利于对实验动物进行稳定的超声波刺激。

可选地，底座2的侧面设置有用于实现超声刺激与电生理采集、电刺激、给药(非治疗目的)、微透析、光刺激、光成像中至少一种的导管结构4，导管结构4包括至少一根导管，导管内设置有电极、细管或光纤中的至少一种，从而可以实现超声刺激共靶点的颅内给药、微透析、电刺激、光刺激或者电生理采集的功能。

图1展示了安装于实验动物颅骨9上的头戴式超声传导装置示意图。最底端的虚线椭圆表示小动物颅骨9的矢状面，颅骨与上方的头戴式超声传导装置紧密结合，并由颅骨连接件31及牙科水泥固定；上方的头戴式超声传导装置包含顶盖1和底座2两部分；底座2和顶盖1可采用金属、塑料、有机玻璃等任何加工后常温下呈固体状态的材料加工。顶盖1与底座2可通过L形锁槽24结构连接；顶盖1内部可安装圆形的超声换能器，超声换能器可包括超声压电材料、匹配层及引线(图中未示出)，用于产生超声波往下方辐射；顶盖1外围底部有三个锁块14，用于与底座2的L形锁槽24互扣连接；顶盖1外侧顶部有两个对称的防滑凸出结构(凸起11)；底座2呈倒置空心圆锥体形状，包含上开口和下开口；倒置空心圆锥体形状，既能减少了底座2占用颅骨的面积，又允许超声换能器具有较大的辐射面积，从而保证该装置能应用于小动物并且具有较高的超声辐射强度和较低的辐射频率；底座2上出口四周有三个L形锁槽24，可与上述顶盖1外围的三个锁块14互扣；底座2下出口周围有外翻的外沿结构，外沿结构的底面并非平面，而是圆柱面或弧面，该圆柱面的外翻外沿结构与小动物呈弧面拱起的颅骨表面刚好吻合，从而实现底座2与颅骨的无缝紧贴安装；上述外翻的外沿结构的前后方分别有一个凸出结构，该前后分布的凸出结构，可在不增加底座2外沿左右宽度的前提下增加牙科水泥的接触面积，防止底座2绕中心轴转动，提高安装底座2的机械强度。图2所示为头戴式超声传导装置侧视图，标注了类似图1所示的结构，特别地，在图2中底座2的右侧(即实验动物头颅的后方)，设计了导管结构4；通过该导管结构4，可附加安装电生理采集或刺激电极、给药管、透析管、光纤等管道，这些管道的下端可延伸至超声作用靶点区域的不同深度，实现电生理信号采集、定点药物输送、微透析、光刺激等功能。

本发明实施例所提供的一种头戴式超声传导装置，主要应用于对清醒且自由活动小动物进行可重复操作的超声刺激，主要包含顶盖1和底座2两部分，顶盖1内置超声换能器，超声换能器包括压电材料和匹配层，可产生超声实现超声刺激；底座2可呈倒置空心圆锥体形状，具有上、下两开口；上开口周围有若干个L形锁槽24，便于与顶盖1可拆卸式连接；下开口有底面为弧面的外翻外沿结构以及位于外沿结构先后侧的两个外沿凸出结构(第一凸出部21、第二凸出部22)；上开口和下开口分别用于连接顶盖1和实验动物颅骨9；且顶盖1可被反复便捷地安装与拆卸。本发明实施例所提供的一种头戴式超声传导装置，其至少具有以下优点：

(1)底座2的下出口的底面呈曲面状，外翻凸沿23及凸出部也可以呈曲面状，使底座2能与实验动物弧面状的颅骨紧密可靠接触，提高了底座2安装位置的准确度和装置的使用寿命；

(2)底座2呈倒置空心圆锥体形状，既减少了底座2占用颅骨的面积，又能允许超声换能器具有较大的辐射面积，从而保证该装置能应用于小动物并且具有较高的超声辐射强度和较低的辐射频率；

(3)底座2和顶盖1的卡口结构，保证顶盖1可被反复安装与拆卸，便于灵活开展需反复超声刺激的实验；

(4)底座2和顶盖1的卡口结构，允许安装顶盖1时预先灌入的超声耦合剂能在填满底座2内腔空间后自动溢出，保证超声能通过底座2内腔可靠传导而不增加底座2腔内压力；

(5)顶盖1内侧的凸起结构和导线凹槽结构，可使超声传感器(超声换能器)工作于空气背衬模式，提高超声辐射的效率；

(6)底座2外侧壁可安装径向导管，允许导药管、电生理电极或者光纤通过，用于开展超声刺激结合颅内给药、微透析、电生理采集、电刺激或者光刺激等实验；

(7)整个装置体积小、重量轻，可应用于小鼠等自由活动的小动物，实施超声刺激。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴式超声传导装置，其特征在于，包括可置于实验动物颅骨上的底座和连接于所述底座的顶盖，所述底座内具有用于容纳耦合剂的内腔，所述顶盖连接有工作面朝向于所述内腔底部的超声换能器；所述头戴式超声传导装置还包括用于将所述底座固定于实验动物颅骨的固定器件，所述固定器件包括前端可嵌入实验动物颅骨的颅骨连接件，所述底座贴于实验动物颅骨且与所述固定器件直接连接或通过粘结剂连接，所述耦合剂充满于超声换能器与实验动物颅骨之间。

2.如权利要求1所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述底座靠近底部的侧面设置有凸起结构；或者/和，所述底座靠近底部的侧面设置有凹槽结构。

3.如权利要求2所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述颅骨连接件为螺纹连接件，所述粘结剂为牙科水泥；

所述凸起结构为外翻凸沿，所述粘结剂连接于所述颅骨连接件和所述外翻凸沿；

或者，所述凹槽结构为设置于所述底座外侧面的凹槽，所述粘结剂连接于所述颅骨连接件且嵌于所述凹槽内。

4.如权利要求1所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述底座靠近于所述实验动物颅骨前侧的一侧设置有第一凸出部，或者/和，所述底座靠近于所述实验动物颅骨后侧的一侧设置有第二凸出部。

5.如权利要求1至4中任一项所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述底座的底部设置为曲面结构，或者/和，所述底座的底部设置有弹性垫圈。

6.如权利要求1至4中任一项所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述底座呈上大下小的倒锥状，或者/和，所述顶盖固定或可拆卸式连接于所述底座的顶部。

7.如权利要求1至4中任一项所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述顶盖通过旋卡结构、卡扣结构或螺纹结构连接于所述底座。

8.如权利要求1至4中任一项所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述底座设置有至少一个L形锁槽，所述L形锁槽上端开口，且所述L形锁槽上端开口位于所述底座的上端面，所述顶盖设置有可卡于所述L形锁槽的锁块。

9.如权利要求1至4中任一项所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述顶盖内侧设置有用于对所述超声换能器进行限位的凸起结构；或者/和，所述顶盖内侧设置有于容纳线缆的导线凹槽。

10.如权利要求1至4中任一项所述的一种头戴式超声传导装置，其特征在于，所述底座的侧面设置有用于实现超声刺激与电生理采集、电刺激、给药、微透析、光刺激、光成像中至少一种的导管结构，所述导管结构包括至少一根导管，所述导管内设置有电极、细管或光纤中的至少一种。