CN112316310A - 一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置 - Google Patents

一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置 Download PDF

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Abstract

一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，有用于支撑被刺激体的永磁铁平台，用于对被刺激体进行颅磁声刺激的第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器，连接第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器的多通道相控阵超声激励源和用于控制多通道相控阵超声激励源的PC机/工控机，第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器设置在能够在水平方向进行360度范围调节、与所述永磁铁平台进行0～90度夹角的调节、自身进行旋转调节侧向分辨力的多功能调节支架上，永磁铁平台设置在能够进行垂直方向调节的垂直调节架上，且位于多功能调节支架的中心部。本发明适用于小型实验动物研究及基于头部模型的磁声刺激参数研究。

Description

一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置
技术领域
本发明涉及一种经颅磁声刺激装置。特别是涉及一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置。
背景技术
脑科学研究及神经功能性疾病的研究已广泛采用神经电刺激技术。常见的如经颅磁刺激、经颅直流电刺激技术等无创神经刺激，目前均无法实现毫米量级的空间分辨率，且难以作用于深部脑区。而可作用于深部脑区的电刺激则需进行有创的开颅手术并埋入电极，危险系数大。
经颅磁声刺激是一种新型的无创神经电刺激方法，具有良好的刺激聚焦性和较深的刺激深度。相对于经颅磁刺激和经颅直流电刺激等直接利用电磁场变化诱发电刺激的方法，经颅磁声刺激基于导电组织的磁声耦合效应，利用超声的高聚焦性实现高空间分辨率的无创电刺激。该刺激方法可实现包括深部脑区的全脑刺激，具有良好的应用前景。
经颅磁声刺激基于导电组织的磁声耦合效应，利用聚焦超声束打入置于静磁场的组织，声束引起组织内部导电粒子的振动，振动粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，在超声聚焦区域耦合形成局部感应电流。该方法原理上可以利用超声的高聚焦特性实现高空间分辨的无创电刺激。组织内部会产生与声场、静磁场方向均正交的感应电场，且感应电场与超声换能器声场分布一致。磁声耦合所产生的电场强度与超声声压、磁场感应强度成线性关系，方向为声场方向和与磁场方向的矢量积方向。
当前，经颅磁声刺激还处于实验阶段，现有实验装置无法同时精确刺激角度和刺激深度，且无法实现多超声换能器聚焦和多位点多角度聚焦刺激。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可同时适用于小型实验动物研究及头部模型磁声刺激参数研究的用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置。
本发明所采用的技术方案是：一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，包括有用于支撑被刺激体的永磁铁平台，用于对被刺激体进行颅磁声刺激的第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器，分别连接所述第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器的多通道相控阵超声激励源和用于控制多通道相控阵超声激励源向第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器发出相控阵超声脉冲信号的PC机/工控机，所述的第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器设置在能够使第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器在水平方向进行360度范围调节、与所述永磁铁平台进行0～90度夹角的调节、自身进行旋转调节侧向分辨力的多功能调节支架上，所述的永磁铁平台设置在能够进行垂直方向调节的垂直调节架上，且位于多功能调节支架的中心部。
本发明的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，是由多个相控阵超声换能器形成多角度多位点的经颅磁声刺激装置，适用于小型实验动物研究及基于头部模型的磁声刺激参数研究，为经颅磁声刺激技术研究提供可靠的实验装置。
附图说明
图1是本发明的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置的整体结构示意图；
图2是本发明中换能器伸缩臂与弧形臂支架连接的结构示意图；
图3是本发明中相控阵超声换能器、换能器伸缩臂、弧形臂相对中心位置示意图。
图中
1：永磁铁平台 2：第一相控阵超声换能器
3：第二相控阵超声换能器 4：PC机/工控机
5：多通道相控阵超声激励源 6：垂直调节架
6.1：底座 6.2：伸缩柱
7：环形导轨支撑柱 8：环形导轨
9：第一换能器伸缩臂 10：第二换能器伸缩臂
9.1、10.1：第一连接块 9.2、10.2：第二连接块
9.3、10.3：第二滚轮 9.4、10.4：连接套
9.5、10.5：连接杆 11：弧形臂
12：弧形臂滑台 12.1：撑滑块
12.2：第一滚轮 13：导线
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置做出详细说明。
本发明的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，特别考虑了如何实现多位点、多角度、多超声换能器共聚焦技术。
如图1所示，本发明的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，包括有用于支撑被刺激体的永磁铁平台1，用于对被刺激体进行颅磁声刺激的第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3，分别连接所述第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3的多通道相控阵超声激励源5和用于控制多通道相控阵超声激励源5向第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3发出相控阵超声脉冲信号的PC机/工控机4，所述的第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3设置在能够使第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3在水平方向进行360度范围调节、与所述永磁铁平台1进行0～90度夹角的调节、自身进行旋转调节侧向分辨力的多功能调节支架上，所述的永磁铁平台1设置在能够进行垂直方向调节的垂直调节架6上，且位于多功能调节支架的中心部。
所述的垂直调节架6是由沿中心轴形成有插入孔的底座6.1和伸缩柱6.2构成，所述伸缩柱6.2的下端能够上下调节的插入在所述底座6.1的插入孔内，所述伸缩柱6.2的上端与所述的永磁铁平台1固定连接。
所述的多功能调节支架，包括有多个环形导轨支撑柱7和固定设置在环形导轨支撑柱7上的环形导轨8，分别设置在所述环形导轨8上并能够沿所述环形导轨8进行水平方向的360度范围调节的第一弧形臂支架和第二弧形臂支架，分别对应设置在所述第一弧形臂支架和第二弧形臂支架上并能够在第一弧形臂支架和第二弧形臂支架上进行与所述永磁铁平台1成0～90度夹角范围调节的第一换能器伸缩臂9和第二换能器伸缩臂10，所述的第一相控阵超声换能器2连接在所述第一换能器伸缩臂9上，所述的第二相控阵超声换能器3连接在所述第二换能器伸缩臂10上。
如图1、图2所示，所述的第一弧形臂支架和第二弧形臂支架结构相同，均包括有：弧形臂11和支撑弧形臂11沿所述的环形导轨8滑动或定位的弧形臂滑台12，其中，所述弧形臂11的下端固定在所述弧形臂滑台12的上端面上，所述弧形臂11的弧心对应永磁铁平台1，所述的第一换能器伸缩臂9设置在所述第一弧形臂支架中的弧形臂上并能够沿该弧形臂进行移动或定位，所述的第二换能器伸缩臂10设置在所述第二弧形臂支架中的弧形臂上并能够沿该弧形臂移动。
如图2所示，所述的弧形臂滑台12包括有上端面与所述弧形臂11的下端固定连接的支撑滑块12.1，所述支撑滑块12.1的下端面对称设置有两个能够夹在所述环形导轨8上并能够沿环形导轨8侧壁滚动的第一滚轮12.2。
如图2所示，所述的第一换能器伸缩臂9和第二换能器伸缩臂10结构相同，均包括有：分别设置在第一弧形臂支架或第二弧形臂支架中的弧形臂11两侧的第一连接块9.1/10.1和第二连接块9.2/10.2，连接在所述第一连接块9.1/10.1和第二连接块9.2/10.2之间并以弧形臂11的外弧面为轨道滚动的第二滚轮9.3/10.3，连接在所述第一连接块9.1/10.1和第二连接块9.2/10.2之间且位于所述弧形臂11内弧面一侧的连接套9.4/10.4，所述连接套9.4/10.4在远离弧形臂11的一端能够伸缩的插入有连接杆9.5/10.5的一端，所述连接杆9.5/10.5的另一端连接所述第一相控阵超声换能器2或第二相控阵超声换能器3，所述第一相控阵超声换能器2或第二相控阵超声换能器3能够以所述连接杆9.5/10.5的连接端为轴进行旋转，所述第一换能器伸缩臂9和第二换能器伸缩臂10在各自的第二滚轮9.3/10.3的作用下能够沿所述弧形臂11移动。
所述的第一换能器伸缩臂9和第二换能器伸缩臂10内部贯穿有连接多通道相控阵超声激励源5和第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3之间的用于给第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3供电和传输激励信号的导线13。
如图1、图3所示，两个弧形臂滑台12在环形导轨8上滑动的过程中，始终保证第一换能器伸缩臂9与第一相控阵超声换能器2所组成的装配体的中轴线、第二换能器伸缩臂10与第二相控阵超声换能器3所组成的装配体的中轴线、连接第一换能器伸缩臂9的弧形臂11的弧心、连接第二换能器伸缩臂10的弧形臂11的弧心相汇于一点o，保证基于相控阵超声换能器的经颅磁声刺激装置整体在弧形臂滑台12围绕环形导轨8滑动时、第一换能器伸缩臂9和第二换能器伸缩臂10绕所在的弧形臂11滑动时，第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3始终保持对准中心。图3中X、Y、Z为基础坐标系，o为基础坐标系的中心。
垂直调节架6用于调节永磁铁平台1与第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3之间的距离，满足磁声耦合刺激聚焦点贴近永磁铁平台1保证磁场强度，并能对小型实验动物研究及基于头部模型的磁声刺激参数研究的被测物体积不同带来的刺激点位置变化进行调节。
多通道相控阵超声激励源5用于对第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3进行激励。多通道相控阵超声激励源5需分别同时激励第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3，通道数需与第一相控阵超声换能器2和第二相控阵超声换能器3阵元数目一致，每个通道的激励参数由PC机/工控机4控制，多通道相控阵超声激励源5及PC机/工控机4可以但不限于使用美国的Verasonics超声开发平台实现。
本发明的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，在对基于头部模型的磁声刺激参数研究进行刺激时，先将头部模型固定于永磁铁平台上，调节垂直调节架的高度，确保头部模型置于第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器聚焦范围内，第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器通过耦合剂可以接触到待测脑区所映射的头皮部位，通过PC机/工控机调整多通道相控阵激励源的输出参数，使得第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器的聚焦点满足头部模型脑部靶区的条件，即可对头部模型脑部靶区进行经颅磁声刺激。在刺激中，可以通过调整PC机/工控机调整多通道相控阵激励源的输出参数实现分别控制第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器的变焦点位置即变频刺激，以适应不同刺激模式的需要，可以通过但不限于运用电极作为探测的手段来评估不同刺激位置、刺激频率、聚焦角度及刺激强度等参数下的刺激效果。
例如，在对小动物进行刺激时，先将小动物(如小鼠)固定于永磁铁平台上，调节垂直调节架的高度，确保小动物头部置于第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器聚焦范围内，第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器通过耦合剂可以接触到待测脑区所映射的头皮部位，通过PC机/工控机调整多通道相控阵激励源的输出参数，使得第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器的聚焦点满足小动物脑部靶区的条件，即可对小动物脑部靶区进行经颅磁声刺激。在刺激中，可以通过调整PC机/工控机调整多通道相控阵激励源的输出参数，实现分别控制第一相控阵超声换能器和第二相控阵超声换能器的变焦点位置即变频刺激，以适应不同刺激模式的需要。

Claims (7)

1.一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，包括有用于支撑被刺激体的永磁铁平台(1)，用于对被刺激体进行颅磁声刺激的第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)，分别连接所述第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)的多通道相控阵超声激励源(5)和用于控制多通道相控阵超声激励源(5)向第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)发出相控阵超声脉冲信号的PC机/工控机(4)，其特征在于，所述的第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)设置在能够使第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)在水平方向进行360度范围调节、与所述永磁铁平台(1)进行0～90度夹角的调节、自身进行旋转调节侧向分辨力的多功能调节支架上，所述的永磁铁平台(1)设置在能够进行垂直方向调节的垂直调节架(6)上，且位于多功能调节支架的中心部。
2.根据权利要求1所述的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，其特征在于，所述的垂直调节架(6)是由沿中心轴形成有插入孔的底座(6.1)和伸缩柱(6.2)构成，所述伸缩柱(6.2)的下端能够上下调节的插入在所述底座(6.1)的插入孔内，所述伸缩柱(6.2)的上端与所述的永磁铁平台(1)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，其特征在于，所述的多功能调节支架，包括有多个环形导轨支撑柱(7)和固定设置在环形导轨支撑柱(7)上的环形导轨(8)，分别设置在所述环形导轨(8)上并能够沿所述环形导轨(8)进行水平方向的360度范围调节的第一弧形臂支架和第二弧形臂支架，分别对应设置在所述第一弧形臂支架和第二弧形臂支架上并能够在第一弧形臂支架和第二弧形臂支架上进行与所述永磁铁平台(1)成0～90度夹角范围调节的第一换能器伸缩臂(9)和第二换能器伸缩臂(10)，所述的第一相控阵超声换能器(2)连接在所述第一换能器伸缩臂(9)上，所述的第二相控阵超声换能器(3)连接在所述第二换能器伸缩臂(10)上。
4.根据权利要求3所述的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，其特征在于，所述的第一弧形臂支架和第二弧形臂支架结构相同，均包括有：弧形臂(11)和支撑弧形臂(11)沿所述的环形导轨(8)滑动或定位的弧形臂滑台(12)，其中，所述弧形臂(11)的下端固定在所述弧形臂滑台(12)的上端面上，所述弧形臂(11)的弧心对应永磁铁平台(1)，所述的第一换能器伸缩臂(9)设置在所述第一弧形臂支架中的弧形臂上并能够沿该弧形臂进行移动或定位，所述的第二换能器伸缩臂(10)设置在所述第二弧形臂支架中的弧形臂上并能够沿该弧形臂移动。
5.根据权利要求4所述的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，其特征在于，所述的弧形臂滑台(12)包括有上端面与所述弧形臂(11)的下端固定连接的支撑滑块(12.1)，所述支撑滑块(12.1)的下端面对称设置有两个能够夹在所述环形导轨(8)上并能够沿环形导轨(8)侧壁滚动的第一滚轮(12.2)。
6.根据权利要求3所述的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，其特征在于，所述的第一换能器伸缩臂(9)和第二换能器伸缩臂(10)结构相同，均包括有：分别设置在第一弧形臂支架或第二弧形臂支架中的弧形臂(11)两侧的第一连接块(9.1/10.1)和第二连接块(9.2/10.2)，连接在所述第一连接块(9.1/10.1)和第二连接块(9.2/10.2)之间并以弧形臂(11)的外弧面为轨道滚动的第二滚轮(9.3/10.3)，连接在所述第一连接块(9.1/10.1)和第二连接块(9.2/10.2)之间且位于所述弧形臂(11)内弧面一侧的连接套(9.4/10.4)，所述连接套(9.4/10.4)在远离弧形臂(11)的一端能够伸缩的插入有连接杆(9.5/10.5)的一端，所述连接杆(9.5/10.5)的另一端连接所述第一相控阵超声换能器(2)或第二相控阵超声换能器(3)，所述第一相控阵超声换能器(2)或第二相控阵超声换能器(3)能够以所述连接杆(9.5/10.5)的连接端为轴进行旋转，所述第一换能器伸缩臂(9)和第二换能器伸缩臂(10)在各自的第二滚轮(9.3/10.3)的作用下能够沿所述弧形臂(11)移动。
7.根据权利要求3所述的一种用于固定双超声换能器的经颅磁声刺激弯臂装置，其特征在于，所述的第一换能器伸缩臂(9)和第二换能器伸缩臂(10)内部贯穿有连接多通道相控阵超声激励源(5)和第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)之间的用于给第一相控阵超声换能器(2)和第二相控阵超声换能器(3)供电和传输激励信号的导线。
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CN113101524A (zh) * 2021-04-12 2021-07-13 中国医学科学院生物医学工程研究所 一种可灵活实现全脑区矢量刺激的经颅磁声刺激装置

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