CN111888671B - 一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置，包括：自动调距机构、超声换能器、和水囊结构；其中自动调距机构与超声换能器的远近端连接，并且用于调节超声换能器与被试者头皮之间的轴向距离；超声换能器用于产生经颅超声刺激所需的聚焦超声波；水囊结构用于储存液态耦合介质，水囊结构包括液体耦合介质内腔和液体耦合介质外腔，并且水囊结构的液体耦合介质内腔的远端设有一与人体接触的声透膜；液体耦合介质内腔和液体耦合介质外腔流体连通，液体耦合介质内腔和液体耦合介质外腔存储有用于向被试者头皮传导超声波的液体耦合介质。该超声换能器耦合装置具有能够调节刺激深度、使用方法简单、能够准确定位、安全性好等优点。

Description

一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置

技术领域

本发明涉及生物医学设备领域，特别涉及一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置和包括所述超声换能器耦合装置的用于人体经颅超声刺激的自适应系统。

背景技术

经颅超声刺激(Transcranial Ultrasound Stimulation,TUS)是一种新兴的，针对颅内神经的非侵入式刺激技术。与其他的神经调控技术如经颅磁刺激(TranscranialMagnetic Stimulation,TMS)、经颅直流电刺激(Transcranial Direct CurrentStimulation,tDCS)相比，经颅超声刺激有着很多优点。首先是安全性，各种研究表明，经颅超声刺激所用的超声不同于高能聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)以及其他热效应超声，其作用原理是通过机械波直接调控神经活动，所采用的超声强度低，几乎不带来热效应，这不会对被刺激区域造成损伤。其次，经颅超声刺激有着很高的空间分辨率。相对于空间分辨率在2-3cm左右的磁刺激，由于超声的波长较短，经颅超声刺激可以达到2-5mm左右的空间分辨率。同时，通过设计超声换能器，使得超声波在离开超声换能器出射面一定距离处聚焦，当超声换能器的焦距设计的较大时，其所发出的超声波可以有效刺激到更深层的脑区，其刺激深度可达10-15cm，大大优于经颅磁刺激的1.0-1.5cm。上述两项优点意味着该方法能够更精确地针对特定脑组织位点进行刺激。最后，经颅超声刺激有着良好的兼容性。由于超声波是机械波，不需要外加磁场或电场，经颅超声刺激可以与功能性磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)同时进行，这对于刺激点的精确定位与神经功能的研究都有很大的帮助。

由于经颅超声刺激有着较高的分辨率，其刺激装置及耦合装置需要有很高的定位精度及稳定性，单靠人工手动进行换能器的定位与固定不能充分发挥经颅超声刺激的技术优点。同时，由于超声换能器、空气及头皮之间的声阻抗不匹配，超声换能器与头皮之间的间隙需要始终填充声阻抗相匹配的耦合介质以减少超声波传播过程中的损耗。在传统的超声诊断与治疗中，由于超声换能器与被测试物间距较小，可以使用涂抹超声耦合剂的方式进行耦合。但在经颅超声刺激的实际使用场景中，换能器与头皮之间间距可能较大(如2-5cm)，这使得液体或膏状的超声耦合剂不能简单可靠地填充超声换能器和头皮之间的间隙，换能器和头皮之间必须存在一个耦合装置，且这个耦合装置最好具备与头皮距离可调的功能，以灵活满足实际使用的需求。市面上现有的耦合装置较为少见，均为固定式设计，即超声换能器的出射面到被测表面的距离固定，无法根据需要进行调整。且这些耦合装置存在着刺激距离普遍偏小、无法方便更换耦合介质、无法实时监测与目标贴合情况等问题。

因此，本领域急需开发一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置和包括所述超声换能器耦合装置的自适应系统，所述超声换能器耦合装置和所述自适应系统可以克服现有技术中缺点，方便易用且安全、可自动调节换能器与头皮的距离，并且可以同时对头颅进行多点的精准刺激。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置包括所述超声换能器耦合装置的自适应系统，所述超声换能器耦合装置和所述自适应系统可以克服现有技术中缺点，方便易用且安全、可自动调节换能器与头皮的距离，并且可以同时对头颅进行多点精准刺激。

在本发明的第一方面，提供了一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置，包括：自动调距机构、超声换能器、和水囊结构；其中

所述自动调距机构与所述超声换能器的近端连接，并且用于调节超声换能器与被试者头皮之间的轴向距离；

所述超声换能器用于产生经颅超声刺激所需的聚焦超声波；

所述水囊结构用于储存液态耦合介质，所述水囊结构包括液体耦合介质内腔和液体耦合介质外腔，并且所述水囊结构的液体耦合介质内腔的远端设有一与人体接触的声透膜；所述液体耦合介质内腔和所述液体耦合介质外腔流体连通，所述液体耦合介质内腔和液体耦合介质外腔存储有用于向被试者头皮传导超声波的液体耦合介质；

所述超声换能器的远端置于液体耦合介质内腔中，并且超声换能器的远端与所述液体耦合介质内腔密封连接；所述超声换能器可在所述液体耦合介质内腔中通过自动调距机构控制沿轴向移动，从而改变超声换能器的远端与所述声透膜之间的距离d；

其中，当超声换能器在所述液体耦合介质内腔中沿轴向移动时，所述液体耦合介质在所述液体耦合介质内腔和液体耦合介质外腔之间转移，并使得所述超声换能器的远端与所述液体耦合介质内腔中的液体耦合介质保持接触。

在另一优选例中，当所述超声换能器在所述液体耦合介质内腔中沿轴向并向远端移动时，所述超声换能器的远端与所述声透膜之间的距离d缩小，并且部分所述液体耦合介质从所述内腔转移至外腔；当所述超声换能器在所述液体耦合介质内腔中沿轴向并向近端移动时，所述超声换能器的远端与所述声透膜之间的距离d变大，并且部分所述液体耦合介质从所述外腔转移至所述内腔。

在另一优选例中，所述自动调距机构包括步进电机、嵌套在一起的内筒和外筒，所述内筒和所述外筒通过螺纹连接，所述超声换能器固定连接于所述内筒，并且所述步进电机与所述内筒连接，所述步进电机转动带动所述内筒沿轴向移动，从而带动所述超声换能器沿轴向移动。

在另一优选例中，所述超声换能器耦合装置还包括连接架，通过所述连接架将所述超声换能器连接到所述内筒上。

在另一优选例中，所述超声换能器耦合装置还包括固定结构，所述固定结构用于将所述声透膜固定在所述水囊结构的液体耦合介质内腔的远端面。

在另一优选例中，所述固定结构通过卡扣或螺纹的方式将声透膜压紧在所述水囊结构远端面处。

在本发明的第二方面，提供了一种用于人体经颅超声刺激的自适应系统，所述系统包括：

n个上述的超声换能器耦合装置，其中，所述自动调距机构包括步进电机，所述步进电机用于带动所述超声换能器在所述液体耦合介质内腔中沿轴向移动，其中n为正整数；

m个多自由度机械臂，所述超声换能器耦合装置设置在所述多自由度机械臂的末端，并且所述多自由度机械臂用于带动所述超声换能器耦合装置移动，其中，m为正整数；

输入模块，所述输入模块用于输入(a)被试者的脑CT或磁共振扫描数据、(b)被试者头颅的实际刺激焦点的位置、以及(c)多个预定的超声刺激深度；

控制模块，所述控制模块与所述步进电机电气连接，所述控制模块与所述多自由度机械臂电气连接；

其中，所述控制模块基于所述输入模块的数据信息，控制所述多自由度机械臂带动所述超声换能器耦合装置移动到头皮待刺激位置，然后所述控制模块控制所述步进电机转动预定旋转角度，带动所述超声换能器沿轴向移动，从而使所述超声换能器达到预定的超声刺激深度。

在另一优选例中，所述控制模块基于所述输入模块的数据信息，控制所述多自由度机械臂带动所述超声换能器耦合装置移动到头皮待刺激位置，然后所述控制模块控制所述步进电机转动预定旋转角度，带动所述超声换能器沿轴向移动，从而使所述超声换能器的超声聚焦区域深度改变，进而使超声聚焦区域精准移动到预定的刺激靶点上。

在另一优选例中，n为≥2的正整数，m为≥2的正整数，其中n≥m。

在另一优选例中，所述多自由度机械臂可以是多轴机械臂，在所述多轴机械臂的末端可以设置有多个超声换能器耦合装置。

在另一优选例中，一个多自由度机械臂控制一个所述的超声换能器耦合装置。

在另一优选例中，一个多自由度机械臂控制2、3或4个所述的超声换能器耦合装置。

在另一优选例中，所述自适应系统还包括安全监测模块，所述安全监测模块用于实时监测所述液体耦合介质外腔内的气体的压力数据，并根据气体的压力状态数据来获得所述超声换能器的耦合装置与头皮的接触状态。

在另一优选例中，在所述液体耦合介质外腔设有压力调节孔，在所述压力调节孔连接有电磁阀，在不发生超声刺激时，所述电磁阀与大气连通，在发生超声刺激时，所述电磁阀与所述安全监测模块流体连通。

在另一优选例中，所述安全监测模块包括气压传感器和微处理器，在发生超声刺激时，所述气压传感器与所述电磁阀相连通，所述微处理器与所述气压传感器通信连接，所述气压传感器用于实时监测所述液体耦合介质外腔内的气体的压力数据，所述微处理器用于对所述气压传感器监测的压力数据进行计算分析，从而获得所述超声换能器的耦合装置与头皮的接触状态。

在另一优选例中，所述自适应系统还包括报警模块，所述报警模块与所述微处理器通信连接，所述报警模块基于所述微处理器传达的压力数据，若发现压力异常情况，则报警模块主动发出警报。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。应理解，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施实例，本领域的普通技术人员，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实施实例。

图1显示了本发明的用于人体经颅超声刺激的自适应系统的示意图；

图2显示了本发明一个实施例的超声换能器耦合装置示意图；

图3显示了本发明一个实施例的超声换能器与步进电机连接的剖面示意图；

图4显示了本发明一个实施例的用于储存液态耦合介质的水囊结构；

图5显示了本发明一个实施例的水囊结构远端与声透膜的固定连接的分解图；

图6显示了本发明一个实施例的安全监测模块的示意图。

各附图中，各标识如下：

1-自动调距机构

11-步进电机

12-内筒

13-外筒

2-超声换能器

21-连接架

3-水囊结构

31-液体耦合介质内腔

32-液体耦合介质外腔

33-压力调节孔

34-通水孔

4-声透膜

5-固定结构

6-安全监测模块

27-刚体定位标记点

28-刻度标尺

d-超声换能器的远端与声透膜之间的距离

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置和包括所述超声换能器耦合装置的用于人体经颅超声刺激的自适应系统，所述超声换能器耦合装置结构简单、方便易用且安全，并且该超声换能器装置可使得超声换能器出射面能与头皮以液态耦合介质(如脱去气体的水)为介质紧密耦合，并可调节换能器与头皮的距离，从而实现超声对颅内指定深度靶区的精确刺激，所述用于人体经颅超声刺激的自适应系统可以实现对头颅的多点的精确刺激，并且能够实现多个预设刺激深度之间的快速切换，使用者甚至可以进行变深度刺激，极大拓宽了耦合装置的使用场景。

在以下的叙述中，为了更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

术语

如本文所使用的，术语“近端”指的是靠近超声换能器耦合装置的自动调距机构的一端，“远端”指的是远离自动调距机构的一端，也是靠近声透膜的一端。

术语“超声刺激深度”指的是超声换能器的聚焦区域到头皮的距离，而术语“超声换能器的聚焦区域”指的是超声换能器发出的超声波的聚焦区域(焦域)，在超声换能器沿轴向移动，超声换能器发出的超声波的聚焦区域(焦域)也会跟随着移动，从而刺激到头皮以下不同深度的脑区。

术语“换能器”和“超声换能器”可互换使用。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本发明中，所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

超声换能器耦合装置

本发明提供了一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置，包括：超声换能器，调节超声换能器相对于头皮位置的自动调距机构，用于储存液态耦合介质的水囊结构，水囊结构远端与人体接触的声透膜的固定结构，主壳体和安全监测模块；

所述超声换能器，是可以发出经颅超声刺激所用的聚焦超声波的聚焦超声波换能器。它能够将外部通入的电能转化成超声波包含的机械能，并聚焦到超声换能器出射表面外某一区域，实现对治疗靶点的定点刺激。

所述用于储存液态耦合介质的水囊结构，是一种可以配合超声换能器的位置改变容积的液态耦合介质(一般为脱去气体的水)储存容器。与自动调距机构连接的超声换能器可以伸入水囊中，并在其中运动。其实现方式是使用内外两个水囊(以下简称“内囊”、“外囊”)，两个水囊底部平行且由开孔联通。连接到自动调距机构上的超声换能器在内囊中呈活塞式运动，当超声换能器位置发生改变时，内囊中的液体即随超声换能器压入或抽出而通过压力进入或流出外囊，以保持超声换能器出射表面与内囊末端的人体接触声透膜之间总是由耦合介质填充。

所述固定结构通过卡扣或螺纹的方式将可更换的人体接触声透膜在水囊结构远端处压紧，使得水囊中的液体不发生泄漏，并使水囊结构远端能够与头皮紧密贴合。同时，该固定结构还易于取下，方便人体接触声透膜的更换和水囊内液体排出。人体接触声透膜应当采用声阻抗和水相同(或尽可能相近)的材料制作，以尽量减少超声波传播过程中的损耗。

所述主壳体，是将驱动超声换能器的自动调距机构和储存耦合介质的水囊结构的外壳组合后得到的整体。所述主壳体用于支撑耦合装置的整体机械结构，并起到对耦合装置的固定作用。其作用方式为：通过螺纹开孔，将耦合装置与其他装置(如机械臂、支架等)通过螺丝连接。同时，所述主壳体上还可标注有刻度标尺28、光学定位导航使用的刚体定位标记点27等，以方便脑功能研究和脑疾病临床使用。

所述自动调距机构采用了两个套筒的嵌套设计，固定不动的部分称为外筒，外筒内部有多圈内螺纹；能够上下活动的部分称为内筒，内筒外部有较少的几圈外螺纹，能够与外筒上的内螺纹吻合，当内筒旋转时，由于螺纹作用，带动整个活动部分高度发生变化。内筒上还固定有超声换能器的连接架，使用时，超声换能器通过连接架被锁紧在整个内筒结构上，在内筒旋转时被带动，从而进行轴向的移动。一个步进电机被用于驱动旋转过程，该步进电机的主轴通过插槽连接到内筒上，从而带动内筒旋转。需要说明的是，由于外筒上每圈的螺纹高度在设计时已知，且步进电机是旋转角度及速度均可进行精确调节的电机，所以根据设定好的旋转角度可以进而计算出整个内筒，也即超声换能器在轴向上移动的具体距离，从而实现超声换能器出射面相对于头皮表面距离的自动精确调整。

由于经颅超声刺激需要经常变更刺激靶点，电动调节结构能够大量节省人工调节刺激深度的时间，使用者能够通过编程的方式调节步进电机旋转角度，从而自动控制换能器到达所需要的位置，且有着很高的精确度。通过在计算机上编写的自动控制程序，能够实现多个预设刺激深度之间的快速切换，使用者甚至可以进行变深度刺激，极大拓宽了耦合装置的使用场景。

为了达到更高的精确度，本发明还提出使用反馈的方式对换能器的高度进行精准补偿。特别地，控制程序提出结合头颅影像数据、水囊内部气压监测等方式收集实际刺激焦点的位置，以及耦合装置与人头实际接触情况等，再根据数据进行比对和计算，对超声换能器高度进行精确调节，确保实际穿过颅骨的超声波焦点始终保持在使用者设定好的颅内目标靶点上，实现精准的刺激。

此外，本发明的超声换能器耦合装置中的自动调距机构也可改为手动调节结构或额外地增加手动调节结构，从而可以在脱离计算机、无法对步进电机进行驱动时，通过手动方式调节超声换能器的远端与所述声透膜之间的距离d，并且使得超声换能器的远端与液体耦合介质始终保持接触。

用于人体经颅超声刺激的自适应系统

本发明还提供了一种用于人体经颅超声刺激的自适应系统。典型地，本发明的自适应系统包括：

n个上述超声换能器耦合装置，

m个多自由度机械臂，所述超声换能器耦合装置设置在所述多自由度机械臂的末端，并且所述多自由度机械臂用于带动所述超声换能器耦合装置移动，n为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数，其中n≥m；

输入模块，所述输入模块用于输入(a)被试者的脑CT或磁共振扫描数据、(b)被试者头颅的实际刺激焦点的位置、以及(c)多个预定的超声刺激深度，

控制模块，所述控制模块与所述步进电机电气连接，所述控制模块与所述多自由度机械臂电气连接；其中

所述控制模块基于所述输入模块的数据信息，控制所述多自由度机械臂带动所述超声换能器耦合装置移动到头皮待刺激位置，然后所述控制模块控制所述步进电机转动预定旋转角度，带动所述超声换能器沿轴向移动，从而使所述超声换能器达到预定的超声刺激深度；

安全监测模块，所述安全监测模块可通过压力传感器实时监测水囊结构内气体的压力，获得耦合装置与头皮的接触状态；并能够在异常情况发生时及时报警，停止刺激，以保证超声刺激过程的安全性。同时，在压力不足时报告耦合装置和头皮接触脱离，以提醒操作人员或自动定位系统调整耦合装置和头皮之间的距离，达到较佳的耦合接触。所述模块包含一个压力传感器和微处理器。压力传感器通过软管连接到水囊结构上的通气孔中。当头皮与水囊结构远端接触或分离时，液体在内囊与外囊之间流动，导致外囊内的气体体积改变，气压发生变化。该变化被压力传感器检测到，经微处理器处理后发出信号给上级控制装置，报告耦合装置与头皮的接触情况。

报警模块，该报警模块可在发现压力异常时主动报警，保证了超声刺激过程的安全，也可在压力过小时报告耦合装置和头皮脱离接触，从而引导操作人员或自动定位系统调整耦合装置以达到较佳的耦合。

本发明的主要优点包括：

(a)本发明的超声换能器耦合装置能够自动精确地调节超声换能器与头皮之间的距离，可以达到在一定区间内快速调节超声对头颅刺激深度的功能，节省人工调节刺激深度的时间；

(b)本发明的超声换能器耦合装置具有使用能够调节刺激深度、使用方法简单、能够准确定位、安全性好等优点；

(c)本发明的超声换能器耦合装置能够使经颅超声能快速、准确地刺激指定的靶点，最大程度上增进使用便捷性和发挥刺激效果，解决了超声换能器和头部耦合的物理安全性和卫生安全性问题，对该领域的脑功能研究与脑疾病临床治疗具有重大意义；

(d)本发明的用于人体经颅超声刺激的自适应系统可以实现多点刺激、自动控制多个超声换能器到达所需的位置，每个超声换能器都可以实现多个预设刺激深度之间的快速切换，使用者甚至可以进行变深度刺激，极大拓宽了耦合装置的使用场景。

下面结合附图对本发明做进一步说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，本发明提供了一种用于人体经颅超声刺激的自适应系统。本发明的自适应系统包括：多个自由度机械臂、多个超声换能器耦合装置、输入模块和控制模块，在本实施例中是3个多自由度机械臂分别控制3个超声换能器耦合装置，该超声换能器耦合装置设置在该多自由度机械臂的末端，并且该多自由度机械臂用于带动该超声换能器耦合装置移动；

该输入模块用于输入(a)被试者的脑CT或磁共振扫描数据、(b)被试者头颅的实际刺激焦点的位置、以及(c)多个预定的超声刺激深度；

该控制模块与所述多自由度机械臂电气连接；其中该控制模块基于输入模块的数据信息，控制多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动到头皮待刺激位置，然后控制模块控制步进电机转动预定旋转角度，带动所述超声换能器沿轴向移动，从而使超声换能器达到预定的超声刺激深度。

所述自适应系统还包括安全监测模块6，其是由气压传感器与微处理器组成的，能够对超声换能器耦合装置的安全性进行实时监测与报警的电子系统，其模块结构如图6所示。本发明较佳实施例使用XGZP6867数字型IIC压力传感器。通过采用电磁阀与超声换能器耦合装置流体连通，在发生超声刺激时，所述微处理器与所述气压传感器通信连接，所述气压传感器用于实时监测超声换能器耦合装置的气体的压力数据，所述微处理器用于对所述气压传感器监测的压力数据进行计算分析，从而获得所述超声换能器的耦合装置与头皮的接触状态。

参见图2-6，本发明提供了一种适用于本发明自适应系统的人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置，包括：调节超声换能器相对于头皮位置的自动调距机构1、超声换能器2、用于储存液态耦合介质的水囊结构3和在水囊结构远端与人体接触的声透膜4的固定结构5。

用于储存液态耦合介质的水囊结构3可以配合换能器的位置改变容积，以达到使超声换能器2出射面与头皮之间由耦合介质完全填充的效果；该固定结构5可以将可更换的人体接触声透膜4固定到水囊结构远端，以保证水囊密闭，且通过人体接触声透膜的更换，达到以低成本的方式保证卫生以及安全性的目的；

该超声换能器2是可以发出经颅超声刺激所用的聚焦超声波的聚焦超声波换能器。它能够将外部通入的电能转化成超声波包含的机械能，并聚焦到超声换能器出射表面外某一区域，实现对治疗靶点的定点刺激。本发明较佳实施例使用的是奥林巴斯公司生产的A301S-SU型号超声换能器，但也可以使用其它规格匹配的换能器。该换能器是一种单晶纵波超声水浸探头，是为使超声波在部分或全部浸在水中的被测工件中传播而特别设计的。它带有一个在声学特性上与水相配的1/4波长的层，能够加强声能输出。其采用的大直径晶片增加了近场长度，可以得到较长(约4-5cm)的焦距(声场焦点距离探头出射面的距离)，从而刺激到更深的脑区。该换能器形状呈圆柱体，方便与容器的内壁贴合以及器件的更换。换能器尾部通过螺纹接口与传递电信号的连接线相连，换能器在内部将电能转化为声能后，通过前端的出射表面发出聚焦超声波，将能量聚焦于一点，实现定点刺激的效果。在实际使用时，操作者需要根据所刺激的脑区距离头皮表面深度计算出换能器出射表面应与头皮保持的距离及应指向的方向，并在刺激过程中使这些参数保持不变，以达到稳定的刺激效果。

调节超声换能器相对于头皮位置的自动调距机构1负责电动的方式对换能器的轴向位置进行较大幅度调节；该自动调距机构1通过调节超声换能器2的位置，达到在一定区间内快速调节超声对头颅刺激深度的功能。自动调距机构1是能对超声换能器的轴向位置进行较大幅度调节的结构。图3为超声换能器2与步进电机11连接的剖面示意图，其中，自动调距机1构包括步进电机11、嵌套在一起的内筒12和外筒13，固定部分称为外筒13，旋转部分称为内筒12。外筒内部有内螺纹。步进电机11通过插槽连接到内筒12上，驱动内筒12旋转，超声换能器2通过连接架21连接到内筒12上。内筒12上有与外筒13上螺纹匹配的外螺纹，能够在旋转时驱动整个内筒连同步进电机11以及超声换能器2进行轴向移动。由于经颅超声刺激需要经常变更刺激靶点，自动调距机构1能够大量节省人工调节刺激深度的时间；由于步进电机11是旋转圈数及速度均可进行精确调节的电机，由于每圈的螺纹高度已知，因此旋转一圈带来的换能器高度变化已知，使用者便可以通过编程来自动控制所需的换能器位置，且有着很高的精确度。使用者甚至可以利用该特点进行变深度刺激，极大拓宽了耦合装置的使用场景。

所述用于储存液态耦合介质的水囊结构3，是可以使超声换能器2浸入其中，并随换能器2轴向位置改变而自动适应，改变容积的液态耦合介质储存容器，本发明较佳实施例使用脱去气体的水作为耦合介质。请参考图4，图4为该储存耦合介质的水囊结构的剖面图。水囊结构整体分为内囊(即液体耦合介质内腔31)，和外囊(即液体耦合介质外腔32)，内外两囊底部平行，之间由开在底部的通水孔34连通，水可以在两囊之间自由流动。两个囊的容积相等，可以满足内囊完全排水的需要。与自动调距机构1连接的超声换能器2伸入内囊中，超声换能器2的外壁与内囊内壁之间的缝隙利用聚四氟乙烯带填充，保证此处无渗漏，此时二者为既保持紧密接触，但换能器2又能在内囊中自由滑动的状态。当超声换能器2位置发生改变时，内囊中的液体即通过压力进入或流出外囊，外囊中的气压通过水囊上的排气孔与外界保持平衡。当耦合装置完全竖直放置且加水方式正确时，可以保证内囊中被水完全填充，超声换能器末端与内囊末端的人体接触声透膜4之间有尽可能少的超声损耗。当耦合装置部分倾斜时，外囊中剩余的水也可将通水孔封闭，使空气不能进入内囊。

参考图5的水囊结构远端与声透膜4的固定连接的分解图，该固定结构5用于将可更换的人体接触声透膜4固定到水囊结构的内囊的远端，以保证水囊密闭，且通过人体接触声透膜的更换，达到以低成本的方式保证卫生以及安全性的目的。本发明较佳实施例使用薄的声透膜4，将该薄膜覆盖到水囊结构远端后，通过卡扣的方式将其固定在水囊结构3远端上并利用凸起的棱将声透膜4压紧，使水囊结构3内部有良好的水密性。由于重力和水的压力，声透膜会产生自然的凸起，方便与头皮进行接触。该固定结构5易于取下，能够方便人体接触声透膜的更换和水囊内液体的排出。

另外，自动调距机构1与水囊结构3之间可以使用螺纹连接并锁紧，使超声换能器耦合装置具有较高的机械强度。可以在水囊结构外壳边缘处设置有螺纹开孔例如可以设置4个间隔90°的螺孔，用以将耦合装置通过螺丝连接到定位装置(如机械臂、可调支架)上。同时参考图2，在水囊结构上画有光学定位导航使用的刚体定位标记点27，可以通过在该标记点处安装光学定位追踪装置来对耦合装置进行实时定位与导航，使耦合装置始终保持在最佳位置，以保证刺激的有效性。根据使用的超声换能器以及耦合装置的不同，上述刻度线与刚体定位标记点位置可进行相应的变化，以使刺激结果保持一致。

参考图6，所述用于人体经颅超声刺激的自适应系统的安全监测模块6能通过压力传感器实时监测水囊结构3内气体的压力，获得耦合装置与头皮的接触状态，并能够在异常情况发生时及时报警，停止刺激，以保证超声刺激过程的安全性。该安全监测模块6采用一个电磁阀控制，不发生超声刺激时水囊结构的排气孔(即设置在液体耦合介质外腔32上的压力调节孔33)直接与大气相通，而在刺激过程开始后，需要对安全性进行监测时，则将排气孔与该传感器压力测试端相通，形成一个封闭的空间，由于水难以被压缩，所以对水囊底部的任何压力都将通过空气传导到气压传感器中。微处理器定时通过传感器对该压力进行采样，若发现压力发生适中变化，则推断耦合装置与头皮的接触状态发生了改变，将新的状态报告给上位机。若发现压力发生较大变化，则推断超声刺激过程发生异常，微处理器将立即报警并停止超声刺激，后撤耦合装置，以保证刺激过程的安全性。

综上所述，本发明提出的用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置设计，能够有效对超声换能器与头皮之间的距离进行较大范围的自动精确调节；易用的可更换式人体接触声透膜设计以及各类标识记号，能够方便使用者迅速开展工作；可主动识别接触状态并进行报警的安全监测模块，提高了装置整体安全性，也使使用者对整个超声刺激过程有着更深入的了解与掌控。

讨论

本发明提出的用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置设计，能够有效对超声换能器与头皮之间的距离进行较大范围的自动精确调节；易用的可更换式人体接触声透膜设计以及各类标识记号，能够方便使用者迅速开展工作；可主动识别耦合装置与头皮的接触状态并进行报警的安全监测模块，提高了装置整体安全性，并能实时反馈耦合装置和头皮的接触状态，从而引导使用者进行合适的调整以避免耦合装置和头皮脱离接触从而导致超声波无法有效到达颅内的情况。经颅超声刺激研究领域对简单易用且能够方便调节刺激深度的超声换能器耦合装置需求迫切，该装置通过其独特的设计，极大改进了传统超声换能器耦合装置不能调节刺激深度、使用方法复杂、不能实现自动精确定位、安全性欠缺等缺点；使经颅超声能快速、准确地刺激指定的靶点，最大程度上增进使用便捷性和发挥刺激效果。该超声换能器耦合装置对领域内的脑功能研究与脑疾病临床治疗具有重大意义。

在本发明提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本发明的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于人体经颅超声刺激的超声换能器耦合装置，其特征在于，包括：自动调距机构(1)、超声换能器(2)、和水囊结构(3)；其中

所述自动调距机构(1)与所述超声换能器(2)的近端连接，并且用于调节超声换能器(2)与被试者头皮之间的轴向距离；

所述超声换能器(2)用于产生经颅超声刺激所需的聚焦超声波；

所述水囊结构(3)用于储存液态耦合介质，所述水囊结构(3)包括液体耦合介质内腔(31)和液体耦合介质外腔(32)，并且所述水囊结构(3)的液体耦合介质内腔(31)的远端设有一与人体接触的声透膜(4)；所述液体耦合介质内腔(31)和所述液体耦合介质外腔(32)流体连通，所述液体耦合介质内腔(31)和液体耦合介质外腔(32)存储有用于向被试者头皮传导超声波的液体耦合介质；

所述超声换能器(2)的远端置于液体耦合介质内腔(31)中，并且超声换能器(2)的远端与所述液体耦合介质内腔(31)密封连接；所述超声换能器(2)可在所述液体耦合介质内腔(31)中通过自动调距机构(1)控制沿轴向移动，从而改变超声换能器(2)的远端与所述声透膜(4)之间的距离d；

其中，当超声换能器(2)在所述液体耦合介质内腔(31)中沿轴向移动时，所述液体耦合介质在所述液体耦合介质内腔(31)和液体耦合介质外腔(32)之间转移，并使得所述超声换能器(2)的远端与所述液体耦合介质内腔(31)中的液体耦合介质保持接触。

2.如权利要求1所述的超声换能器耦合装置，其特征在于，当所述超声换能器(2)在所述液体耦合介质内腔中沿轴向并向远端移动时，所述超声换能器(2)的远端与所述声透膜之间的距离d缩小，并且部分所述液体耦合介质从所述内腔(31)转移至外腔(32)；当所述超声换能器(2)在所述液体耦合介质内腔(31)中沿轴向并向近端移动时，所述超声换能器(2)的远端与所述声透膜(4)之间的距离d变大，并且部分所述液体耦合介质从所述外腔(32)转移至所述内腔(31)。

3.如权利要求1所述的超声换能器耦合装置，其特征在于，所述自动调距机构(1)包括步进电机(11)、嵌套在一起的内筒(12)和外筒(13)，所述内筒(12)和所述外筒(13)通过螺纹连接，所述超声换能器(2)固定连接于所述内筒(12)，并且所述步进电机(11)与所述内筒(12)连接，所述步进电机(11)转动带动所述内筒(12)沿轴向移动，从而带动所述超声换能器(2)沿轴向移动。

4.如权利要求3所述的超声换能器耦合装置，其特征在于，所述超声换能器耦合装置还包括连接架(21)，通过所述连接架(21)将所述超声换能器(2)连接到所述内筒(12)上。

5.如权利要求1所述的超声换能器耦合装置，其特征在于，所述超声换能器耦合装置还包括固定结构(5)，所述固定结构(5)用于将所述声透膜(4)固定在所述水囊结构(3)的液体耦合介质内腔(31)的远端面。

6.一种用于人体经颅超声刺激的自适应系统，其特征在于，所述系统包括：

n个权利要求1所述的超声换能器耦合装置，其中，所述自动调距机构(1)包括步进电机(11)，所述步进电机(11)用于带动所述超声换能器(2)在所述液体耦合介质内腔(31)中沿轴向移动，其中n为正整数；

m个多自由度机械臂，所述超声换能器耦合装置设置在所述多自由度机械臂的末端，并且所述多自由度机械臂用于带动所述超声换能器耦合装置移动，其中，m为正整数；

输入模块，所述输入模块用于输入(a)被试者的脑CT或磁共振扫描数据、(b)被试者头颅的实际刺激焦点的位置、以及(c)多个预定的超声刺激深度；

控制模块，所述控制模块与所述步进电机(11)电气连接，所述控制模块与所述多自由度机械臂电气连接；

其中，所述控制模块基于所述输入模块的数据信息，控制所述多自由度机械臂带动所述超声换能器耦合装置移动到头皮待刺激位置，然后所述控制模块控制所述步进电机(11)转动预定旋转角度，带动所述超声换能器(2)沿轴向移动，从而使所述超声换能器(2)达到预定的超声刺激深度。

7.如权利要求6所述的自适应系统，其特征在于，所述自适应系统还包括安全监测模块(6)，所述安全监测模块(6)用于实时监测所述液体耦合介质外腔(32)内的气体的压力数据，并根据气体的压力状态数据来获得所述超声换能器的耦合装置与头皮的接触状态。

8.如权利要求7所述的自适应系统，其特征在于，在所述液体耦合介质外腔(32)设有压力调节孔(33)，在所述压力调节孔(33)连接有电磁阀，在不发生超声刺激时，所述电磁阀与大气连通，在发生超声刺激时，所述电磁阀与所述安全监测模块(6)流体连通。

9.如权利要求8所述的自适应系统，其特征在于，所述安全监测模块包括气压传感器和微处理器，在发生超声刺激时，所述气压传感器与所述电磁阀相连通，所述微处理器与所述气压传感器通信连接，所述气压传感器用于实时监测所述液体耦合介质外腔(32)内的气体的压力数据，所述微处理器用于对所述气压传感器监测的压力数据进行计算分析，从而获得所述超声换能器的耦合装置与头皮的接触状态。

10.如权利要求9所述的自适应系统，其特征在于，所述自适应系统还包括报警模块，所述报警模块与所述微处理器通信连接，所述报警模块基于所述微处理器传达的压力数据，若发现压力异常情况，则报警模块主动发出警报。

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