CN112843477B - 经颅磁声电刺激脑调控装置与经颅磁声电刺激脑调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明为经颅磁声电刺激脑调控装置与经颅磁声电刺激脑调控方法，包括脉冲信号发生器、射频功率放大器、超声换能器，永磁体、操作台；其特征在于，该装置还包括数字信号发生器、准直器，其中数字信号发生器的输出端同轴连接线与脉冲信号发生器的输入端相连后，再与射频功率放大器输入端连接；射频功率放大器输出端通过同轴连接线与超声换能器连接，且超声换能器前端与装有耦合剂的准直器粘合，在操作台两侧放置永磁体，两个永磁体关于准直器的出口轴线对称；超声换能器位于两个永磁体中上方。该控制装置使用两个信号发生器，产生间歇性脉冲序列，能引导超声限制在某一个区域内，实现特定区域的精准刺激。

Description

经颅磁声电刺激脑调控装置与经颅磁声电刺激脑调控方法

技术领域

本发明属于神经调控技术领域，涉及一种经颅磁声电刺激脑调控装置与经颅磁声电刺激脑调控方法。

背景技术

发生于中枢神经系统、周围神经系统、植物神经系统的以感觉、运动、意识、植物神经功能障碍为主要表现的疾病称神经疾病。目前常用的神经调节技术包括：侵入性技术和非侵入性技术，每种技术既有不同的刺激方法，也有不同的优点与局限性。物理(如声、光、电、磁等)或化学(如注射药物等)方法操作简单，但缺乏靶向性而且有许多生理上的副作用；电刺激法，如深度脑刺激，目前主要应用将刺激电极植入大脑深部特定核团，同时将脉冲发生器植入锁骨区皮下，通过微电流刺激来治疗运动障碍性疾病，虽然刺激的靶向性强但要求对大脑植入电极，手术存在较大的危险性；技术较成熟的经颅磁刺激与经颅直流电刺激虽然不需要侵入性手术，但存在刺激的深度不够与低分辨率的问题；经颅磁刺激原理：在头皮附近施加一定强度脉冲磁场，头部脑组织在脉冲磁场的刺激下诱导产生电流，进而刺激脑组织，该方法刺激深度浅(空间分辨率低)，对于脑深部组织刺激准确性较差。

由于以上原因，人们一直探索一种新的神经调控技术，既操作简单，又不用手术，同时还能够精准有效地调控大脑。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种操作简单，非侵入式的经颅磁声电刺激脑调控装置和经颅磁声电刺激脑调控方法。该控制装置使用两个信号发生器，产生间歇性脉冲序列，能引导超声限制在某一个区域内，实现特定区域的精准刺激。该调控方法精度比较高，能实现精确控制。

本发明的作用原理是：大鼠头部至于静磁场中，超声换能器发出的脉冲超声经装有耦合剂的准直器后传播到头部中，神经组织中的离子在静磁场和脉冲超声的共同作用下受到洛伦兹力，离子定向移动产生感应电流，进而达到刺激神经组织的目的，通过采集大鼠大脑皮层信号，分析刺激前后信号幅值来表征刺激效果，如果应该用于人，也是采集人大脑皮层脑电信号，分析刺激前后信号的幅值。

本发明的技术方案是：

一种经颅磁声电刺激脑调控装置，包括脉冲信号发生器、射频功率放大器、超声换能器，永磁体、操作台；其特征在于，该装置还包括数字信号发生器、准直器，其中数字信号发生器的输出端同轴连接线与脉冲信号发生器的输入端相连后，再与射频功率放大器输入端连接；射频功率放大器输出端通过同轴连接线与超声换能器连接，且超声换能器前端与装有耦合剂的准直器粘合，在操作台两侧放置永磁体，两个永磁体关于准直器的出口轴线对称；超声换能器位于两个永磁体中上方，两个永磁体与超声换能器的轴线相互平行。

该调控装置还包括智能处理设备，智能处理设备中设置有计算分析处理模块，

所述计算分析模块加载有局部场电位信号分析程序：

对获得的大脑信号使用50Hz滤波器滤除工频50Hz干扰，获得离散序列；将每个离散序列X等分为n个区域，计算每个区域中的分布密度得到通道变量X在各个区域的概率p(x_i)，计算任意两个通道变量之间的互信息，根据公式(6)计算两个通道变量的互信息值：

I(X,Y)＝H(X)+H(Y)-H(X,Y) (6)；

其中，X表示一个通道的数据，Y表示另一个通道的数据，H(X)和H(Y)分别为X和Y的期望值；H(X,Y)为两个通道变量的联合期望值，

联合期望值通过公式(5)获得，

其中，x_i、y_j表示第i、j个区域的时间序列，I(x_i)、I(y_i)分别表示x_i、y_i的信息量，p(x_i)、p(y_j)分别表示x_i、y_j发生的概率，p(x_i,y_j)表示二者联合发生的概率；i、j＝1，2，…，n；

获得对照信号和磁声刺激的大脑信号的所有通道两两之间的互信息值；

利用获得的互信息数据，根据公式(7)计算每个通道的聚类系数C，并获得所有通道的聚类系数，求取所有通道的平均聚类系数，比较刺激前后的两组信号的平均聚类系数；

其中，E_m为某一节点与其他节点的实际连接的数目，k_m为m节点互信息值超过设定活跃阈值的所有互信息值的数量，(k_m(k_m-1)/2)为最大连接数，m表示通道数。

一种经颅磁声电刺激脑调控方法，包括以下步骤：

(1)待调控对象的头部配戴脑电采集设备，采集无刺激下的脑电信号，作为对照信号；

(2)将超声换能器与准直器粘合，依次连接射频功率放大器、脉冲信号发生器、数字信号发生器，

(3)将待调控对象的头部放置在操作台上，置于两个永磁体之间；

(3)数字信号发生器经由脉冲信号发生器产生调制的间歇性脉冲超声波，脉冲超声信号经过射频功率放大器放大后，传递给超声换能器，超声换能器进而发出脉冲超声波；

(4)超声换能器发出的脉冲超声波经过装有耦合剂的准直器聚焦后到达待调控对象的头部，磁场方向与超声方向要垂直，神经组织在静磁场和脉冲聚焦超声的共同作用下，产生感应电流，进而刺激神经组织；

(5)脑电采集设备采集磁声刺激下的大脑信号，将磁声刺激下的大脑信号和对照信号输入计算分析模块，计算分析模块用于分析刺激信号相对于无刺激对照信号的变化程度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)利用聚焦脉冲超声波和静磁场共同对神经组织进行刺激，这是一种非侵入性的无创的神经刺激方法。聚焦脉冲超声波是经由数字信号发生器和脉冲信号发生器共同调制得出，是间歇性的脉冲波，在神经组织中作用时安全性有保障。静磁场的存在是可以让神经组织中的带电离子进行定向移动，产生微电流，达到刺激神经组织的目的。

(2)使用平面超声换能器，超声换能器输出端与准直器相连接，准直器将超声限制在某一个区域，这样可以实现特定区域的精准刺激。

(3)本发明方法采用低强度超声，以间歇性脉冲进行聚焦刺激，安全性高于高强度超声，减少了探头的发热，避免了使用连续脉冲信号进行刺激即使在低频下长时间下而带来严重的安全问题。

(4)局部场电位信号是植入神经组织电极端部局部区域神经元集群电活动总和。局部场电位信号具有信号微弱，噪声明显，非平稳性强的特点，是一种非线性信号。局部场电位信号属于一种时间序列。采用互信息能有效反映非线性信号的度量，反映某一时间序列携带另一个时间序列的信息量，减少自身的不确定性，反映两个时间序列的相关程度。采用互信息方式能够提取局部场电位信号信息量，减少非平稳信号的不确定性，通过计算脑电采集设备的多个采集通道之间的的互信息值，反应各个通道之间的相关性。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是对照组和磁声电刺激组聚类系数平均值的比较图。

图3为间歇性脉冲的波形图。

图4为三种经颅刺激下的刺激效果波形对比图。

图5为三种经颅刺激下的平均幅值对比图。

图中：1-数字信号发生器；2-脉冲信号发生器；3-射频功率放大器；4-超声换能器；5-装有耦合剂的准直器；6-永磁体；7-操作台。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明的经颅磁声电刺激脑调控装置包括任意数字信号发生器1，脉冲信号发生器2，射频功率放大器3，超声换能器4，准直器5，永磁体6(2个)，操作台7；其中数字信号发生器1的输出端同轴连接线与脉冲信号发生器2的输入端相连后，再与射频功率放大器3输入端连接；射频功率放大器输出端通过同轴连接线与超声换能器4连接，且超声换能器前端与装有耦合剂的准直器5粘合，在操作台两侧放置永磁体6，两个永磁体关于准直器的出口轴线对称；超声换能器位于两个永磁体中上方，两个永磁体与超声换能器的轴线相互平行。

所述数字信号发生器基波频率在0.5MHz～1MHz之间，重复频率在1MHz～2.5KHz之间。

所述脉冲信号发生器调制频率在100Hz～200Hz之间。

所述射频功率放大器的增益52±1.5dB。

所述超声换能器的直径为15mm～20mm。

所述准直器宽口直径为20mm，窄口直径为2mm，长50mm。

永磁体使用的是圆柱形的磁铁，圆柱形的底面固定在操作台上，这个距离根据待调控对象头部大小可以调节，对于大鼠永磁体的间距大约是五至六厘米。永磁体是一个圆柱体：直径35mm，厚度是10mm。

在合适的基波、重复频率、调制频率参数匹配下调制能使得大脑神经组织活性达到最稳定(通过实验调整获得)的间歇性脉冲超声波。

本发明的经颅磁声电刺激脑调控方法，包括以下步骤：

(1)待调控对象的头部配戴脑电采集设备，采集无刺激下的脑电信号，作为对照信号；

(2)将超声换能器与准直器粘合，依次连接射频功率放大器、脉冲信号发生器、数字信号发生器，

(3)将待调控对象的头部放置在操作台上，置于两个永磁体之间；

(3)数字信号发生器经由脉冲信号发生器产生调制的间歇性脉冲超声波，脉冲超声信号经过射频功率放大器放大后，传递给超声换能器，超声换能器进而发出脉冲超声波；

(4)超声换能器发出的脉冲超声波经过装有耦合剂的准直器聚焦后到达待调控对象的头部，磁场方向与超声方向要垂直，神经组织在静磁场和脉冲聚焦超声的共同作用下，产生感应电流，进而刺激神经组织；

(5)脑电采集设备采集磁声刺激下的大脑信号，将磁声刺激下的大脑信号和对照信号输入计算分析模块，计算分析模块用于分析刺激信号相对于无刺激对照信号的神经活性改善程度。

脑电采集设备具有若干个采集电极，形成若干个采集通道，相邻采集电极之间的中心距为300μm，单个采集电极的直径为25μm，本实施例中采集电极是2×8阵列，这个阵列可以看成是一个小型的网络，通过计算得到的互信息值构成的网络矩阵进行刺激和对照组的对比。具有15个可用通道，13号通道不可用，Ref：是参考点，每个通道依次编号为01～16。

计算分析处理模块存储在智能处理设备中，如个人PC、单片机、FPGA等芯片中，计算分析处理模块通过显示部，能够显示对比结果。

加载有局部场电位信号分析程序：

对获得的大脑信号使用50Hz滤波器滤除工频50Hz干扰，获得离散序列；将每个离散序列X等分为n个区域，能够减少信号非平稳性带来的影响，计算每个区域中的分布密度即可得到变量X在各个区域的概率p(x_i)，根据公式(1)和(2)计算变量X和Y的信息量，X、Y分别表示两个不同通道的数据，这里计算的是两个通道之间的互信息，所以用X表示一个通道的数据，用Y表示另一个通道的数据：

其中x_i、y_i表示第i个区域的时间序列，I(x_i)、I(y_i)分别表示x_i、y_i的信息量，p(x_i)、p(y_i)分别表示x_i、y_i发生的概率，i＝1，2，…，n。

根据公式(3)-(4)计算变量的期望值H(X)、H(Y)：

根据公式(5)计算两个变量的联合期望值：

其中，p(x_i,y_j)表示二者联合发生的概率；j＝1，2，…，n，XY可以相等，也可以不等。

根据公式(6)计算两个变量的互信息值：

I(X,Y)＝H(X)+H(Y)-H(X,Y) (6)

本发明中采集电极之间间距非常小，引入联合期望来计算互信息值，既考虑单独电极的作用，又考虑了相互作用，分析的精度更高，更直观，能反应这片区域整体情况。

获得对照信号和磁声刺激的大脑信号的所有通道两两之间的互信息值，本实施例中15个通道，两组信号的互信息值见下表1-2。

互信息值为0-1之间的值，超过0.5表明神经活性较强，低于0.5神经活性较弱，对于有抑郁情况，神经不佳状态的使用者，可手动调节磁声参数，改变刺激参数，使80％以上通道的互信息值达到0.5以上，实现神经活动，维持神经活性，改善精神状态。

为了更准确的分析刺激效果，分析信号整体对刺激变化，针对这个小型网络引入聚类系数来分析网络聚集性程度。

利用获得的互信息数据，根据公式(7)计算每个通道的聚类系数C，并获得所有通道的聚类系数，求取所有通道的平均聚类系数，比较刺激前后的两组信号的平均聚类系数，确定调控方向，若刺激信号大于对照信号的平均聚类系数，当前刺激能改善神经活性，若刺激信号小于对照信号的平均聚类系数，则当前刺激抑制了神经活性。调控磁声刺激方向为使刺激信号的平均聚类系数大于对照信号的平均聚类系数，互信息方式可靠，满足刺激规律；

其中，E_m为某一节点与其他节点的实际连接的数目(本实施例中共有15个节点实际连接的数目)，k_m为超过设定活跃阈值(本实施例中设定活跃阈值为0.45)的所有互信息值的数量，(k_m(k_m-1)/2)为最大连接数。

聚类系数是衡量网络聚集性程度的重要参数，表示某一节点的相邻节点之间集团程度的可能性。设定活跃阈值T＝0.45，确定k_m的数量。网络中两个变量信息量越多，聚类系数越大，网络集团化程度越高。

表1对照信号的互信息矩阵

表2磁声电刺激互信息矩阵

实施例1

在图1所示的经颅磁声电刺激脑调控装置示意图中，型号为AFG1002的数字信号发生器1的输出端通过同轴连接线与型号为33500B Series的脉冲信号发生器2外部触发端口相连，设置脉冲信号发生器的触发模式为外部触发，使用脉冲信号发生器2生成调制方波对数字信号发生器输出信号进行调制，脉冲信号发生器的输出端通过同轴连接线与型号为Model-150A00C的射频功率放大器3相连，射频功率放大器与型号为P20FG的超声换能器4连接，超声换能器接入装有耦合剂的准直器5，准直器下方是操作台7，在操作台上以超声换能器的轴线为对称轴放置永磁体6。

所述数字信号发生器1基波频率在0.5MHz～1MHz之间，重复频率在1MHz～2.5KHz之间。所述脉冲信号发生器调制频率在100Hz～200Hz之间。所述射频功率放大器3的增益为52±1.5dB。所述超声换能器4的直径为15mm～20mm。所述准直器5宽口直径为20mm，窄口直径为2mm，长50mm。

使用上述装置进行经颅磁声电刺激脑调控方法，包括以下步骤：

(1)将超声换能器4与准直器粘合，连接数字信号发生器、脉冲信号发生器和射频功率放大器。

(2)将大鼠头部放置在操作台上，置于永磁体之间。

(3)数字信号发生器经由脉冲信号发生器产生调制的间歇性脉冲超声信号(参见图3)，该间歇性脉冲超声信号为一种低强度超声，以间歇性脉冲进行聚焦刺激，经过射频功率放大器放大后，传递给超声换能器，超声换能器进而发出脉冲超声波。

(4)超声换能器发出的脉冲超声波经过装有耦合剂的准直器聚焦后到达大鼠头部，神经组织在静磁场和脉冲聚焦超声的共同作用下，产生感应电流，进而刺激神经组织，达到神经调控的目的。

下述以大鼠作为测试对象，分别按照不同的刺激方式(经颅磁刺激、经颅直流电刺激(仅施加微直流电流刺激)、经颅磁声电刺激(施加磁场和超声刺激))对测试对象进行刺激，三种刺激方法的对比如下：

刺激效果通过采集大鼠皮层信号幅值来表征，三种刺激方法的刺激效果如图4所示，图中表示的是三种刺激方式采集得到的信号时域图。从信号的整体来看，经颅磁声电刺激的信号波动最强，数据范围最精细。

计算三个方法刺激下的平均幅值如图5所示，图中表示的是三种刺激方式采集得到的信号平均幅值(纵坐标表示的量)经颅磁声电刺激采集得到的信号平均幅值最大，说明这个刺激方式可以对增强大脑神经活性最强。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种经颅磁声电刺激脑调控装置，包括脉冲信号发生器、射频功率放大器、超声换能器，永磁体、操作台；其特征在于，该装置还包括数字信号发生器、准直器，其中数字信号发生器的输出端同轴连接线与脉冲信号发生器的输入端相连后，再与射频功率放大器输入端连接；射频功率放大器输出端通过同轴连接线与超声换能器连接，且超声换能器前端与装有耦合剂的准直器粘合，在操作台两侧放置永磁体，两个永磁体关于准直器的出口轴线对称；超声换能器位于两个永磁体中上方，两个永磁体与超声换能器的轴线相互平行；

经由数字信号发生器和脉冲信号发生器共同调制得出聚焦脉冲超声波，是间歇性的脉冲波；

使用平面超声换能器，超声换能器输出端与准直器相连接，准直器将超声限制在某一个区域，实现特定区域的精准刺激，采用低强度超声，以间歇性脉冲进行聚焦刺激，安全性高于高强度超声；

所述数字信号发生器基波频率在0.5MHz～1MHz之间，重复频率在1MHz～2.5KHz之间；所述脉冲信号发生器调制频率在100Hz～200Hz之间。

2.根据权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述射频功率放大器的增益52±1.5dB；

所述超声换能器的直径为15mm～20mm；

所述准直器宽口直径为20mm，窄口直径为2mm，长50mm；

永磁体使用的是圆柱形的磁铁，圆柱形的底面固定在操作台上；

在基波、重复频率、调制频率参数匹配下获得能使得大脑神经组织活性达到最稳定的间歇性脉冲超声波。

3.根据权利要求1所述的调控装置，其特征在于，该调控装置还包括智能处理设备，智能处理设备中设置有计算分析处理模块，

所述计算分析处理模块加载有局部场电位信号分析程序：

对获得的大脑信号使用50Hz滤波器滤除工频50Hz干扰，获得离散序列；将每个离散序列X等分为n个区域，计算每个区域中的分布密度得到通道变量X在各个区域的概率p(x_i)，计算任意两个通道变量之间的互信息，根据公式(6)计算两个通道变量的互信息值：

I(X,Y)＝H(X)+H(Y)-H(X,Y) (6)；

其中，X表示一个通道的数据，Y表示另一个通道的数据，H(X)和H(Y)分别为X和Y的期望值；H(X,Y)为两个通道变量的联合期望值，

联合期望值通过公式(5)获得，

其中，x_i、y_j表示第i、j个区域的时间序列，I(x_i)、I(y_i)分别表示x_i、y_i的信息量，p(x_i)、p(y_j)分别表示x_i、y_j发生的概率，p(x_i,y_j)表示二者联合发生的概率；i、j＝1，2，…，n；

获得对照信号和磁声刺激的大脑信号的所有通道两两之间的互信息值；

利用获得的互信息数据，根据公式(7)计算每个通道的聚类系数C，并获得所有通道的聚类系数，求取所有通道的平均聚类系数，比较刺激前后的两组信号的平均聚类系数；

其中，E_m为某一节点与其他节点的实际连接的数目，k_m为m节点互信息值超过设定活跃阈值的所有互信息值的数量，(k_m(k_m-1)/2)为最大连接数，m表示通道数。

4.一种经颅磁声电刺激脑调控方法，采用权利要求1-3任一所述的装置，包括以下步骤：

(1)待调控对象的头部配戴脑电采集设备，采集无刺激下的脑电信号，作为对照信号；

(2)将超声换能器与准直器粘合，依次连接射频功率放大器、脉冲信号发生器、数字信号发生器，

(3)将待调控对象的头部放置在操作台上，置于两个永磁体之间；

(3)数字信号发生器经由脉冲信号发生器产生调制的间歇性脉冲超声波，脉冲超声信号经过射频功率放大器放大后，传递给超声换能器，超声换能器进而发出脉冲超声波；

(4)超声换能器发出的脉冲超声波经过装有耦合剂的准直器聚焦后到达待调控对象的头部，磁场方向与超声方向要垂直，神经组织在静磁场和脉冲聚焦超声的共同作用下，产生感应电流，进而刺激神经组织；

(5)脑电采集设备采集磁声刺激下的大脑信号，将磁声刺激下的大脑信号和对照信号输入计算分析处理模块，计算分析处理模块用于分析刺激信号相对于无刺激对照信号的变化程度。

5.根据权利要求4所述的调控方法，其特征在于，所述脑电采集设备具有若干个采集电极，形成若干个采集通道，相邻采集电极之间的中心距为300μm，单个采集电极的直径为25μm；计算分析处理模块存储在智能处理设备中，计算分析处理模块通过显示部，能够显示对比结果。

6.根据权利要求4所述的调控方法，其特征在于，所述计算分析处理模块加载有局部场电位信号分析程序：

对获得的大脑信号使用50Hz滤波器滤除工频50Hz干扰，获得离散序列；将每个离散序列X等分为n个区域，计算每个区域中的分布密度得到通道变量X在各个区域的概率p(x_i)，计算任意两个通道变量之间的互信息，根据公式(6)计算两个通道变量的互信息值：

I(X,Y)＝H(X)+H(Y)-H(X,Y) (6)；

其中，X表示一个通道的数据，Y表示另一个通道的数据，H(X)和H(Y)分别为X和Y的期望值；H(X,Y)为两个通道变量的联合期望值，

联合期望值通过公式(5)获得，

其中，x_i、y_j表示第i、j个区域的时间序列，I(x_i)、I(y_i)分别表示x_i、y_i的信息量，p(x_i)、p(y_j)分别表示x_i、y_j发生的概率，p(x_i,y_j)表示二者联合发生的概率；i、j＝1，2，…，n；

获得对照信号和磁声刺激的大脑信号的所有通道两两之间的互信息值；

利用获得的互信息数据，根据公式(7)计算每个通道的聚类系数C，并获得所有通道的聚类系数，求取所有通道的平均聚类系数，比较刺激前后的两组信号的平均聚类系数；

其中，E_m为某一节点与其他节点的实际连接的数目，k_m为m节点互信息值超过设定活跃阈值的所有互信息值的数量，(k_m(k_m-1)/2)为最大连接数，m表示通道数。