CN108865881A - 基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统及调控方法，本发明的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统包括主控系统以及由主控系统分别控制的声磁激励源、声磁控制平台、声磁联合激励位点检测系统、检测系统控制平台、调控实时监测系统，该系统能够对神经细胞等动物细胞进行电生理刺激从而调控细胞功能；本发明通过调控声场参数、磁场参数和声磁耦合模式，同时通过声磁联合激励位点电信号强弱与细胞膜和细胞器膜电位的实时监控的方法，可精确获得对细胞功能达到调控标准的声磁耦合场，以实现精准、无创、选择特异性的声磁耦合细胞刺激与调控。

Description

基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统及调控方法

技术领域

本发明涉及细胞功能调控技术领域，尤其涉及一种基于声磁耦合电刺 激原理的细胞功能调控系统及调控方法。

背景技术

目前，传统的脑神经刺激技术包括经皮电神经刺激、经皮电磁感应神 经刺激、头骨透射式磁感应激励以及经颅超声神经调控。

经皮电神经刺激(Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation,TENS)， 从60年代初开始广泛受到重视，与痛觉感觉有着十分紧密的联系。在感觉 生理及临床应用上，TENS可以用来定量测定人体皮肤的最低电流感知阈和 测得外周神经的传导延时，但是这种技术在具体应用上在电极的设计及安 全性方面存在一些极难克服的问题。

经皮电磁感应神经刺激(Transcutaneous electromagnetic nervestimulation，TENS)，简称经皮磁神经刺激，80年代初才开始应用于医学， 它主要用于刺激大脑或处于人体较深部位的外周神经。对于处于人体较深 部位的神经，如果用经皮电刺激的方法使其产生兴奋，那么所需的电流强 度会很大，会引起疼痛以及对皮肤的局部烧伤。经皮磁神经刺激比电刺激 的优点在于它能有效地兴奋人体深处的神经，而不产生疼痛和烧伤问题。 然而，这种刺激方式主要存在两个待克服的问题：一个是磁聚焦问题，用 来解决刺激神经的精确性；另一个是强刺激的频率问题。

头骨透射式磁感应激励(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)以磁 感应电场来激励大脑皮层组织，是一种无痛无创技术通过激励响应的记录， 可用于帕金森综合症、癫痫、抑郁症等脑功能性疾病的治疗及大脑皮层运 动区的检测，不足的是，因其磁场的空间分布无法有效聚焦，对大脑可兴 奋区的定位能力较弱。

经颅超声神经调控(Transcranial Ultrasound Stimulation，TUS)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。与临床使 用的神经物理调节技术，如深度脑刺激、经颅磁刺激相比，经颅超声刺激 具有无损伤与高空间分辨率、高穿透深度的优势，但是同样无法有效聚焦， 同时面临声能量衰减及声波变形的问题。

发明内容

本发明提出的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统及调控方 法，其理论原理如下：在磁场中，运动的可导电物体内的运动的正负电荷 在磁场作用下受到相反方向的洛伦兹力，从而使得样品内发生电荷分离的 现象。根据这一理论，将待刺激样品置于相互垂直的声场与磁场中，由于 超声作用下的导电粒子收到洛伦兹力的作用，在垂直于声场与磁场的方向 移动，不同电性的粒子运动方向相反，进而样品中产生该方向的电场E。

设声波延Y方向振动的速度为v(y,t)，则y处电荷受到的洛伦兹力为：

F＝qv(y,t)×B₀

(1)

于是样品内部电场的电流密度J等于：

J＝σ(y)v(y,t)×B₀ (2)

由上可得，电流密度的大小由电导率、声波的振动速度以及磁场大小与 方向决定的。又样品中某点的振动速度v(y,t)与该处的声压p(y)，样品密度ρ 及样品中的声速v₀存在以下关系：

将(3)式代入(2)式得：

其中ρ、v₀及σ(y)由样品特性决定，则样品内的电流密度大小取决于 声压与磁场的大小。

根据上述声磁电原理可知声磁刺激可在组织内产生电流，正常细胞内 的正离子主要以K⁺为主，负离子主要为一些有机离子，膜外主要以Na⁺为 主，负离子主要为Cl^-。细胞膜对不同的离子具有选择通透性，从而在细胞 静息状态时，细胞膜内外的离子分布处于平衡状态，保持有一定的电位差， 膜外带正电，膜内带负电，称为极化状态。当细胞受到刺激，局部电流达 到一定的强度时，膜内电位逐渐升高，膜内外电位差逐渐变小，当达到阈 值时，即会出现一个迅速的电位变化，产生动作电位达到刺激的作用。因 此声磁刺激可以改变细胞内外离子浓度，从而改变膜内外电位差，调控细 胞膜电位达到使细胞兴奋的作用，进行细胞功能的调控。

本发明的目的在于提供基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系 统，以实现精准、无创、选择特异性的声磁耦合细胞刺激与调控。

本发明的目的在于提供一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控 方法，可以对细胞进行精准、无创的神经刺激进而调控细胞功能。

为实现以上目的，本发明首先提供一种基于声磁耦合电刺激原理的细 胞功能调控系统，包括：主控系统以及由主控系统分别控制的声磁激励源、 声磁控制平台、声磁联合激励位点检测系统、检测系统控制平台、调控实 时监测系统；

所述声磁激励源用于向细胞样本发出声磁耦合场；

所述声磁控制平台与所述声磁激励源相连，用于控制所述声磁激励源 的移动；

所述声磁联合激励位点检测系统用于引导声磁激励源定位以及检测细 胞样本处声磁耦合场的强度；

所述检测系统控制平台与所述声磁联合激励位点检测系统相连，用于 控制所述声磁联合激励位点检测系统的移动；

所述调控实时监测系统用于对细胞样本的细胞膜与细胞器膜的电位进 行实时监测。

进一步的，所述声磁激励源包括电磁场产生系统与超声场产生系统；

所述电磁场产生系统包括依次连接的第一信号发生器，电流放大器与 单磁激励线圈，所述主控系统与所述第一信号发生器连接并用于控制所述 第一信号发生器发射电信号；

所述超声场产生系统包括依次连接的第二信号发生器、功率放大器、 声阻抗匹配电路、超声换能器以及超声波传导装置，所述主控系统与所述 第二信号发生器连接并用于控制所述第二信号发生器发射射频信号。

进一步的，所述单磁激励线圈的直径为80～120mm。

进一步的，所述超声波传导装置包括与所述超声换能器相配合的水槽， 所述水槽内装有除气的超纯水。

进一步的，所述声磁控制平台包括声场定位支架、磁场定位支架、声 场移动控制器以及磁场移动控制器，所述声场定位支架与所述超声换能器 相连，所述磁场定位支架与所述单磁激励线圈相连，所述声场移动控制器 与所述磁场移动控制器分别通过所述控制声场定位支架与所述磁场定位支 架的移动来控制所述超声换能器与所述单磁激励线圈的移动。

进一步的，所述声磁联合激励位点检测系统包括检测铜线圈、检测铜 丝、多通道放大器和数据采集卡，所述检测铜线圈与所述检测铜丝位于所 述细胞样本内，所述检测铜线圈与所述检测铜丝分别与所述多通道放大器 相连，所述多通道放大器与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述 主控系统相连，所述检测铜线圈用于检测单磁激励线圈所形成的电磁场强 度；所述检测铜丝用于检测声磁耦合场诱导生成的电流强度；所述多通道放大器用于对检测所述铜线圈和所述检测铜丝检测到的电流信号进行放 大，所述数据采集卡用于将所述电流信号进行模数转换并输入主控系统。

进一步的，所述检测系统控制平台包括检测位点定位支架和检测位点 三维移动控制器，所述检测位点定位支架分别与所述检测铜线圈和所述检 测铜丝相连，所述检测位点三维移动控制器通过控制所述检测位点定位支 架的移动来控制所述检测铜线圈和所述检测铜丝的移动。

进一步的，所述调控实时监测系统包括荧光显微镜以及与荧光显微镜 相连的成像系统，所述基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统对所 述细胞样本的功能进行调控时，所述细胞样本位于所述荧光显微镜的载物 台上。

进一步的，所述电磁场产生系统产生的磁场方向与所述超声场产生系 统产生的声波信号传播方向相互垂直。

本发明还提供一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控方法，包括 如下步骤：

步骤1、提供如权利要求1所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能 调控系统，利用所述声磁联合激励位点检测系统对所述声磁激励源进行定 位和测量；

步骤2、提供荧光标记的活细胞样本；

步骤3、将所述细胞样本置于声磁耦合场中；

步骤4、控制所述声磁激励源产生声磁耦合场，利用所述调控实时监测 系统实时采集所述细胞样本中受激励细胞的荧光图像。

本发明的有益效果：本发明提供一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞 功能调控系统，包括主控系统以及主控系统分别控制的声磁激励源、声磁 控制平台、声磁联合激励位点检测系统、检测系统控制平台、调控实时监 测系统，该系统能够对神经细胞等动物细胞进行电生理刺激从而调控细胞 功能；本发明还提供一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控方法， 通过调控声场参数和磁场参数，同时通过对声磁联合激励位点信号强弱与 细胞膜和细胞器膜电位的实时监控，可精确获得对细胞功能达到调控标准 的声磁强度，以实现精准、无创、选择特异性的声磁耦合细胞刺激与调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需 要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些 实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1为本发明一个实施例的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控 系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控 系统的工作流程图；

图3为本发明所涉及磁场、超声场和声磁诱导生成电场的信号波形图 与场强空间分布图；

图4为不同超声负声压参数下声磁耦合场对离体活细胞(N2a)膜电位 功能调控结果图；

图5为不同磁场负峰值参数下声磁耦合场对离体活细胞(N2a)钙离子 内流功能调控结果图；

图6为不同声磁耦合模式示意图；

图7为不同声磁耦合模式下声磁耦合场对离体活细胞(N2a)内MMP (线粒体膜电位)调控结果图。

主要元件符号说明：

1、主控系统；101、第二信号发生器；102、功率放大器；103、声阻 抗匹配电路；110、超声换能器；120、超声波传导装置；131、第一信号发 生器；132、电流放大器；140、单磁激励线圈；210、声场定位支架；220、 声场移动控制器；230、磁场移动控制器；240、磁场定位支架；310、检测 铜丝；320、多通道放大器；330、数据采集卡；340、检测铜线圈；350、 检测位点定位支架；360、检测位点三维移动控制器；400、活细胞；500、 荧光显微镜物镜；510、成像系统；600、样品槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。

在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的 配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细 描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定 实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及 其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项 的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、 操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、 步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“A或/和B”包括同时列出的文字的任 何组合或所有组合，可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指 示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描 述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定 的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此 外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示 或暗示相对重要性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述 的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例 中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例 或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是 两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体 含义。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学 术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义 相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为 具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有 理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地 限定。

请参阅图1，本发明提供基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系 统，包括：主控系统1以及由主控系统1分别控制的声磁激励源、声磁控 制平台、声磁联合激励位点检测系统、检测系统控制平台以及调控实时监 测系统；所述声磁激励源用于向细胞样本处施加声磁耦合场；所述声磁控 制平台与所述声磁激励源相连，用于控制所述声磁激励源的移动；所述声 磁联合激励位点检测系统用于用于引导声磁激励源定位以及检测细胞样本 处声磁耦合场的强度，所述调控实时监测系统用于对细胞样本的细胞膜与 细胞器膜的电位进行实时监测，根据此系统可对细胞产生精准、无创的神 经刺激。

具体的，细胞功能调控程度可以通过声磁耦合场的磁场负峰值和超声 负声压参数进行连续、可控、可重复性的调控

所述细胞样本包括样品槽600与容置于样品槽600中且用荧光染料标 记的活细胞400。

可选的，所述样品槽600为细胞培养皿。

具体的，当所述活细胞400用作细胞膜电位实验时，所述荧光染料可 以为DiBAC₄(3)，该荧光染料在细胞膜电位去极化方向变化时荧光增强，在 细胞膜电位超极化方向变化时荧光减弱，并且荧光强度变化为1％幅值时， 对应细胞膜电位变化幅值约为1mV。

具体的，所述声磁激励源包括电磁场产生系统与超声场产生系统。

其中，电磁场产生系统包括依次连接的第一信号发生器131，电流放大 器132与单磁激励线圈140，所述主控系统1与所述第一信号发生器131连 接并用于控制所述第一信号发生器131发射电信号，所述电流放大器132 用于放大所述电信号，所述单磁激励线圈140用于接收放大后的电信号， 从而产生电磁场；

所述声波产生系统包括依次连接的第二信号发生器101、功率放大器 102、声阻抗匹配电路103、超声换能器110以及超声波传导装置120，所 述主控系统1与所述第二信号发生器101连接并用于控制所述第二信号发 生器101发射射频信号，所述功率放大器102用于对所述射频信号的功率 进行放大，所述声阻抗匹配电路103用于与超声换能器110电阻抗匹配从 而增加输出到超声换能器110的电功率，所述超声换能器110用于将放大 后的射频信号转换成声波，所述超声波传导装置120用于将所述声波传输 到细胞样本处。

具体的，所述单磁激励线圈140的直径为80～120mm。

具体的，所述超声波传导装置120包括与超声换能器110相配合的水 槽，水槽内装有除气的超纯水。

其中，所述电磁场产生系统利用电磁感应原理产生交变磁场，所述单 磁激励线圈140可以在单磁激励线圈140两侧使用，可以根据需要改变电 流方向、大小相应改变感应磁场的方向及大小，优选的，所述单磁激励线 圈140的直径为80～120mm，例如80mm、100mm、120mm；所述单磁激励 线圈140产生的磁场很宽，可以刺激相对较大的区域，但是最强磁场发生 在绕组而不是线圈中心，正确的线圈定位便于准确地测量重要参数，如传 导潜伏期，刺激阈值，响应大小和波形形态。因此在准确对焦后，将线圈 平移1cm使得样品在磁场最强区域。

在超声波产生装置中，可以通过调整放大后的射频信号在所述超声换 能器110中输出时所用的通道，来实现对超声换能器110生成声波聚焦点 位置的调整；所述超声换能器110为磁兼容超声换能器，用于根据所述声 阻抗匹配电路103为所述放大后的射频信号选择的通道和设置的延时，将 所述放大后的射频信号转换成声波，超声波传导装置120设置有与超声换 能器110尺寸相配合水槽，水槽内装有除气的超纯水，可将声波快速传输 到样品内和同时减小声波在传播过程中的衰减和损耗。

具体的，声磁控制平台包括声场定位支架210、磁场定位支架240、声 场移动控制器220以及磁场移动控制器230，所述声场定位支架210与所述 超声换能器110相连，所述磁场定位支架240与所述单磁激励线圈140相 连，所述声场移动控制器220和所述磁场移动控制器230分别通过控制所 述声场定位支架210与所述磁场定位支架240的移动来控制所述超声换能 器110与所述单磁激励线圈140的移动。

可选的，所述声场定位支架210与所述超声换能器110之间的连接方 式为螺栓连接；所述磁场定位支架240与所述单磁激励线圈140之间的连 接方式为螺栓连接。

具体的，所述声场移动控制器220能够控制声场定位支架210的运动 步长、运动方向和运动频率、磁场移动控制器230能够控制磁场定位支架 240的运动步长、运动方向和运动频率，从而快速、精确地控制单磁激励线 圈140和超声换能器110的共聚焦。

具体的，所述声磁联合激励位点检测系统包括检测铜线圈340、检测铜 丝310、多通道放大器320和数据采集卡330，所述检测铜线圈340与所述 检测铜丝310位于所述细胞样本内，所述检测铜线圈340与所述检测铜丝 310分别与所述多通道放大器320相连，所述多通道放大器320与所述数据 采集卡330相连，所述数据采集卡330与所述主控系统1相连，所述检测 铜线圈340用于检测所述单磁激励线圈140所形成的电磁场强度；所述检 测铜丝310用于检测声磁耦合场诱导生成的电流强度；所述多通道放大器 320用于对所述检测铜线圈340和所述检测铜丝310检测到的电流信号进行 放大，所述数据采集卡330用于将所述电流信号并进行模数转换输入主控 系统1。

具体的，所述检测系统控制平台包括检测位点定位支架350和检测位 点三维移动控制器360，所述检测位点定位支架350分别与所述检测铜线圈 340与所述检测铜丝310相连，所述检测位点三维移动控制器360通过控制 所述检测位点定位支架350的移动来控制所述检测铜线圈340和所述检测 铜丝310的移动。

所述检测铜线圈340用于检测单磁激励线圈140产生的磁场，单磁激 励线圈140所产生的磁场可以在检测铜线圈340中诱导生成感应电流，此 感应电流输入多通道放大器320放大和数据采集卡330模数转化后可以输 入于主控系统1，根据感应电流与磁场的对应关系，可以计算得到此时单磁 激励线圈140产生的磁场强度。按照图2所示流程，随着磁场定位支架240 和磁场移动控制器230控制单磁激励线圈140在空间二维平面移位，检测 铜线圈340可以建立与单磁激励线圈140位置相对应的磁场分布图，用户 可以根据所需磁场强度选定单磁激励线圈140的位置，初始默认选择磁场 强度最大时所对应的位置，从而完成单磁激励线圈140定位，可以移走检 测铜线圈340。

在单磁激励线圈140选定磁场强度的同时，移来检测铜丝310到细胞 样本处，开启电磁场产生系统，同时开启超声场产生系统，超声换能器110 将射频信号转换成超声后110输出，并经超声波传导装置120进一步输出 到细胞样本处。声磁耦合场诱导检测铜丝310中生成电信号；随着声场定 位支架210和声场移动控制器220控制超声换能器110在空间二维平面移 位，检测铜丝310可以建立与超声换能器110位置相对应的电场分布图， 用户可以根据所需电场强度选定超声换能器110的位置，初始默认选择声 磁诱导电场强度最大时所对应的位置，从而完成超声换能器110定位。

参照流程图2，用户可以在此超声换能器110和单磁激励线圈140当前 位置下，进一步根据所需电场强度，来调整声场和磁场强度，从而达到用 户需要的电场强度。之后，可以移走检测铜线圈340，放置细胞样本，进行 调控实验。

更具体的，所述检测铜丝310为金属导体，在声磁耦合场的刺激下可 以产生电场，从而可根据所生成电场精确检测到声磁耦合场强弱。

具体的，所述调控实时监测系统包括荧光显微镜物镜500以及与荧光 显微镜相连的成像系统510，所述基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控 系统对细胞样本的功能进行调控时，所述细胞样本位于所述荧光显微镜的 载物台上，所述荧光显微镜搭配其成像系统510，能够实现细胞样本图像的 实时观察、采集与处理，随后将采集到的数据传输入主控系统1中，以实 现对细胞样本的细胞膜及细胞器膜的电位进行实时监测与显示。

具体的，所述电磁场产生系统产生的磁场方向与所述超声场产生系统 产生的声波信号传播方向相互垂直。

请参阅图2，本发明提供的一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调 控系统的工作流程为：单磁激励线圈140输出测试磁场，检测铜线圈340 接收磁场，单磁激励线圈140移位，重复上述磁场输出与接收过程，如果 完成二维磁场扫描，选定单磁激励线圈140位置，移走检检测铜线圈340， 移动检检测铜丝310到细胞样本处；如果没有，继续完成二维磁场扫描； 二维磁场扫描完成之后，超声波产生装置驱动超声换能器110发射声场， 该声场与磁场一起输出声磁耦合场，声磁耦合场在检测铜丝310内部产生 电信号，超声换能器110移位，重复上述声磁耦合场输出与电信号接收过 程，直至完成二维电信号扫描，根据细胞功能调控需要选定超声换能器110 位置。进一步根据所需要调控的细胞种类的细胞膜电位超极化程度选择最 佳声场负声压和磁场负峰值，输出声磁耦合场，检测铜丝310内部产生电 信号，判断此电信号是否达到细胞调控强度，如果是，移走检测铜丝310， 转动荧光显微镜物镜500到细胞样本处，在显微镜载物台上放置荧光标记 的活细胞400，输出激励声磁耦合场，检测细胞功能(比如细胞膜电位)是 否达到所需要调控的要求，如是则细胞膜电位调控完毕，如未达到则重新 调试声磁耦合模式参数直到细胞功能达到所需要调控的要求。

请参阅图3，图a为检测铜线圈340检测到的单磁激励线圈140产生的 磁场，进一步通过磁场定位支架240和磁场移动控制器230控制单磁激励 线圈140在空间二维平面移位，可以建立与单磁激励线圈140位置相对应 的磁场分布图(图b)。选择单磁激励线圈140位置后，超声换能器110输 出声场激励信号(图c)，检测铜丝310中生成诱导电信号(图d)；随着声场定位支架210和声场移动控制器220控制超声换能器110在空间二维 平面移位，检测铜丝310可以建立与超声换能器110位置相对应的电场分 布图(图e)；通过上述操作完成单磁激励线圈140与超声换能器110的空 间定位，输出和选定特定强度的声磁耦合场。

请参阅图4，本发明的声磁参数包括超声负声压参数，如图所示，施加 不同声压的声磁耦合场调控活细胞400Neuro 2a(简写N2a：小鼠脑神经瘤 细胞)膜电位可以看出，超声联合磁场诱导产生的细胞膜电位改变幅值与 超声声波的峰值负声压值正相关，具体表现为，超声负声压越大，荧光图 像强度也越弱，统计所得荧光变化幅度越大。因此，本方法可以在磁场强 度确定的情况下，通过调整超声声压参数来调控细胞功能改变的幅度。

请参阅图5，本发明的声磁参数包括磁场负峰值参数，如图所示，施加 不同磁场负峰值的声磁耦合场调控活细胞400N2a细胞的钙离子内流量可 以看出，超声联合磁场诱导产生的钙离子内流量与磁场负峰值正相关，具 体表现为，磁场负峰值越大，荧光图像强度也越强，统计所得荧光变化幅 度越大。因此，本方法可以在声场负声压确定的情况下，通过调整磁场负 峰值参数来调控细胞功能改变的幅度。

请参阅图6，本发明的声磁参数包括三种声磁耦合模式，具体而言，主 控系统1通过控制磁场激励信号与声场激励信号的时延，可以构建不同的 细胞声磁调控模式，三种模式分别是超声激励信号出现在磁场激励信号负 半波的声磁耦合模式1型，超声激励信号出现在磁场激励信号正半波的声 磁耦合模式2型，和超声激励信号出现在磁场激励信号正半波和负半波的 声磁耦合模式3型。

请参阅图7，本发明所提出的声磁参数包括三种声磁耦合模式，如图所 示，施加不同耦合模式的声磁耦合场调控活细胞400N2a细胞的线粒体膜电 位可以看出，超声联合磁场诱导产生的线粒体膜电位变化量与声磁耦合模 式相关，具体表现为，声磁耦合模式1型诱导线粒体膜电位增加幅度最大， 声磁耦合模式2型次之，声磁耦合模式3型诱导线粒体膜电位增加幅度最 小。统计所得荧光变化幅度与上述定性结果保持相同变化规律。因此，本方法可以在声场负声压和磁场负峰值确定的情况下，通过调整声磁耦合模 式来调控细胞功能改变的幅度。

以上图1至图7的结果证明，采用声磁共激励的方法能够达到调控细 胞功能的作用，从而证明了本发明的基于声磁耦合电刺激原理细胞功能调 控系统的设计具有强有力的理论支撑。

基于上述基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，本发明还提供 一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控方法，包括如下步骤：

步骤1、提供如上文所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系 统，利用所述声磁联合激励位点检测系统对所述声磁激励源进行定位和测 量；

步骤2、提供荧光染色的活细胞样本；

步骤3、将所述细胞样本置于声磁耦合场中；

步骤4、控制所述声磁激励源产生声磁耦合场，利用所述调控实时监测 系统实时采集所述细胞样本中受激励细胞的荧光图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施事例而已，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、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，包括：主控系统以及由主控系统分别控制的声磁激励源、声磁控制平台、声磁联合激励位点检测系统、检测系统控制平台、调控实时监测系统；

所述声磁激励源用于向细胞样本发出声磁耦合场；

所述声磁控制平台与所述声磁激励源相连，用于控制所述声磁激励源的移动；

所述声磁联合激励位点检测系统用于引导声磁激励源定位以及检测细胞样本处声磁耦合场的强度；

所述检测系统控制平台与所述声磁联合激励位点检测系统相连，用于控制所述声磁联合激励位点检测系统的移动；

所述调控实时监测系统用于对细胞样本的细胞膜与细胞器膜的电位进行实时监测。

2.如权利要求1所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述声磁激励源包括电磁场产生系统与超声场产生系统；

所述电磁场产生系统包括依次连接的第一信号发生器，电流放大器与单磁激励线圈，所述主控系统与所述第一信号发生器连接并用于控制所述第一信号发生器发射电信号；

所述超声场产生系统包括依次连接的第二信号发生器、功率放大器、声阻抗匹配电路、超声换能器以及超声波传导装置，所述主控系统与所述第二信号发生器连接并用于控制所述第二信号发生器发射射频信号。

3.如权利要求2所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述单磁激励线圈的直径为80～120mm。

4.如权利要求2所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述超声波传导装置包括与所述超声换能器相配合的水槽，所述水槽内装有除气的超纯水。

5.如权利要求2所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述声磁控制平台包括声场定位支架、磁场定位支架、声场移动控制器以及磁场移动控制器，所述声场定位支架与所述超声换能器相连，所述磁场定位支架与所述单磁激励线圈相连，所述声场移动控制器与所述磁场移动控制器分别通过控制所述声场定位支架与所述磁场定位支架的移动来控制所述超声换能器与所述单磁激励线圈的移动。

6.如权利要求2所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述声磁联合激励位点检测系统包括检测铜线圈、检测铜丝、多通道放大器和数据采集卡，所述检测铜线圈与所述检测铜丝位于所述细胞样本内，所述检测铜线圈与所述检测铜丝分别与所述多通道放大器相连，所述多通道放大器与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述主控系统相连，所述检测铜线圈用于检测单磁激励线圈所形成的电磁场强度；所述检测铜丝用于检测声磁耦合场诱导生成的电流强度；所述多通道放大器用于对检测所述铜线圈和所述检测铜丝检测到的电流信号进行放大，所述数据采集卡用于将所述电流信号进行模数转换并输入主控系统。

7.如权利要求6所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述检测系统控制平台包括检测位点定位支架和检测位点三维移动控制器，所述检测位点定位支架分别与所述检测铜线圈和所述检测铜丝相连，所述检测位点三维移动控制器通过控制所述检测位点定位支架的移动来控制所述检测铜线圈和所述检测铜丝的移动。

8.如权利要求1所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述调控实时监测系统包括荧光显微镜以及与荧光显微镜相连的成像系统，所述基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统对所述细胞样本的功能进行调控时，所述细胞样本位于所述荧光显微镜的载物台上。

9.如权利要求2所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，其特征在于，所述电磁场产生系统产生的磁场方向与所述超声场产生系统产生的声波信号传播方向相互垂直。

10.一种基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、提供如权利要求1所述的基于声磁耦合电刺激原理的细胞功能调控系统，利用所述声磁联合激励位点检测系统对所述声磁激励源进行定位和测量；

步骤2、提供荧光标记的活细胞样本；

步骤3、将所述细胞样本置于声磁耦合场中；

步骤4、控制所述声磁激励源产生声磁耦合场，利用所述调控实时监测系统实时采集所述细胞样本中受激励细胞的荧光图像。