CN113101527A - 一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置，其中包括：超声波发射模块，用于发射超声波波束；交变磁场发射模块，用于发射电磁波提供交变磁场及磁感应交变电场；第一机械臂，与超声波发射模块连接；第二机械臂，与交变磁场发射模块连接；定位模块，用于获取超声波发射模块的位姿、交变磁场发射模块的位姿和被刺激对象头部的位姿；控制模块，分别与第一机械臂、第二机械臂和定位模块电连接，控制第一机械臂和第二机械臂运动以调节超声波发射模块的位姿和交变磁场发射模块的位姿。本发明实施例解决了手动调节精度低的问题，实现了装置自动调节，保证了刺激靶点位置及刺激方向的准确性，提高了装置的易用性。

Description

一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置

技术领域

本发明实施例涉及经颅磁声刺激技术，尤其涉及一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置。

背景技术

神经调控技术现已被广泛应用于脑功能认知及脑部神经功能性疾病的研究和治疗。毫米级的精准刺激，尤其是深部脑区的精准刺激在脑网路研究、脑功能分区、学习记忆研究、重大脑疾病的发病机制研究及诊疗等领域尤其需要。而有创式的神经调控技术则需要打开颅骨进行电极植入，手术和应用风险性高，也存在伦理学限制。因此，能够无创的实现对脑深部精准刺激的刺激技术具有非常重要的意义。

常见的无创神经电磁刺激如经颅直流电刺激、经颅磁刺激技术等，现阶段均无法实现毫米量级的高空间分辨率，且难以达到对深部脑区的刺激。经颅超声刺激技术兼具高刺激分辨率、可深部刺激等优点，但是该技术属于超声力学刺激，无法达到电刺激效果。

经颅磁声刺激是一种可兼顾刺激聚焦性与刺激深度的无创神经电刺激技术。该方法不同于此前直接利用电场磁场变化诱发电刺激的形式，而是基于导电组织的磁声耦合效应，利用超声的高聚焦特性，在静磁场的存在下，产生与超声场相同时空分布的聚焦电场，实现高空间分辨的无创电刺激。该刺激方法可以实现包括深部脑区在内的毫米量级的经颅精准电刺激。

在经颅磁声刺激基础上发展的经颅磁声复合场刺激，通过超声波发射模块和交变磁场发射模块分别向目标位置发射超声波和电磁波，由电磁波中的交变脉冲磁场代替现有磁声刺激装置中的静磁场，在超声波作用下基于磁声耦合效应产生磁声电场的同时，还可以叠加交变脉冲磁场产生的磁感应电场，再加上聚焦超声场，该技术可以在脑内靶区产生聚焦超声场、磁声电场、磁感应电场三个物理场的复合刺激。具有更好的效果。

但是，现有的磁声复合场刺激装置无法将超声波和电磁波以期望的方向和位置送入待刺激脑区，只能在确定待刺激脑区位置以及待刺激方向后，通过人工调节超声波发射模块和交变磁场发射模块的位置和姿态。现有的调节方式精度较低，无法满足精确调节刺激脑区位置和刺激方向的需求。

发明内容

本发明提供一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置，以精确调节刺激脑区位置和刺激方向。

本发明实施例提供了一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置，其中包括：

超声波发射模块，用于发射超声波波束；

交变磁场发射模块，用于发射电磁波以提供交变磁场及磁感应交变电场；

第一机械臂，与所述超声波发射模块连接；

第二机械臂，与所述交变磁场发射模块连接；

定位模块，用于获取所述超声波发射模块的位姿、所述交变磁场发射模块的位姿和被刺激对象头部的位姿；

控制模块，分别与所述第一机械臂、所述第二机械臂和所述定位模块电连接，用于根据所述超声波发射模块的位姿、所述交变磁场发射模块的位姿和所述被刺激对象头部的位姿，控制所述第一机械臂和所述第二机械臂运动以调节所述超声波发射模块的位姿和所述交变磁场发射模块的位姿，使得所述超声波波束和所述交变磁场及磁感应交变电场以垂直于设定电场方向的方向交于目标位置；所述目标位置为所述被刺激对象头部中的待刺激位置；

其中，所述超声波波束与所述交变磁场在所述目标位置所成夹角大于0度；。

可选的，还包括交变线圈定位器、聚焦超声换能器定位器和头部定位器；

所述交变磁场发射模块包括交变线圈和交变磁场激励装置；

所述超声波发射模块包括聚焦超声换能器和脉冲超声激励源；

所述交变线圈定位器固定于所述交变线圈上；

所述聚焦超声换能器定位器固定于所述聚焦超声换能器上；

所述头部定位器用于于待刺激对象头部；

所述定位模块用于获取所述交变线圈定位器的位姿、所述聚焦超声换能器定位器的位姿和所述头部定位器的位姿，并将所述交变线圈定位器的位姿作为所述交变磁场发射模块的位姿，将所述聚焦超声换能器定位器的位姿作为所述超声波发射模块的位姿，将所述头部定位器的位姿作为所述待刺激对象头部的位姿。

可选的，所述交变线圈定位器、所述聚焦超声换能器定位器和所述头部定位器均包括多个光感单元。

可选的，所述光感单元包括近红外光感单元，所述定位模块包括近红外双目相机。

可选的，所述超声波波束与所述交变磁场及磁感应交变电场在所述目标位置所成夹角为90度。

可选的，所述交变磁场发射模块包括交变线圈和交变磁场激励装置，所述交变磁场激励装置用于向所述交变线圈输出交变电流；

所述第二机械臂与所述交变线圈连接。

可选的，所述超声波发射模块包括聚焦超声换能器和脉冲超声激励源，所述脉冲超声激励源用于向所述聚焦超声换能器提供激励；

所述第一机械臂与所述聚焦超声换能器连接。

可选的，所述交变磁场激励装置包括储能电容、脉冲整形电路以及可控硅开关；

所述储能电容分别与所述脉冲整形电路和所述可控硅开关电连接。

可选的，所述交变线圈为8字形。

可选的，所述聚焦超声换能器包括单阵元聚焦超声换能器或相控阵聚焦超声换能器；

所述脉冲超声激励源的激励通道与所述聚焦超声换能器的阵元一一对应。

本发明实施例通过定位模块获取超声波发射模块的位姿、交变磁场发射模块的位姿和被刺激对象头部的位姿。并使得控制模块根据超声波发射模块的位姿、交变磁场发射模块的位姿和被刺激对象头部的位姿，控制第一机械臂和第二机械臂运动以调节超声波发射模块的位姿和交变磁场发射模块的位姿，使得超声波波束和交变磁场及磁感应交变电场以垂直于设定电场方向的方向交于目标位置。本装置获取目标位置及设定电场方向后进行自动调节，保证了刺激靶点位置及刺激方向的准确性，提高了装置的易用性。在超声波波束与交变磁场及磁感应交变电场相交的位置能够产生磁声耦合电场，磁声耦合电场的电场方向与超声波波束垂直，并且与交变磁场及磁感应交变电场垂直。交变磁场及磁感应交变电场会在待刺激靶点位置产生磁感应电场，磁感应电场与磁声耦合电场方向相同，强度叠加，使得装置产生磁声耦合电场与磁感应电场的复合电场，再加上原有的超声场，可以在脑内靶区产生磁声耦合电场、磁感应电场与超声场三个物理场的聚焦复合场，具有更好的刺激效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置的工作原理图；

图3为本发明实施例提供的一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置的另一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置的结构示意图，参见图1。本发明实施例提供了一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置，其中包括：

超声波发射模块9，用于发射超声波波束；

交变磁场发射模块10，用于发射交变磁场及磁感应交变电场；

第一机械臂5，与超声波发射模块连接；

第二机械臂3，与交变磁场发射模块连接；

定位模块8，用于获取超声波发射模块9的位姿、交变磁场发射模块10的位姿和被刺激对象头部(图中未示出)的位姿；

控制模块7，分别与第一机械臂5、第二机械臂3和定位模块8电连接，用于根据超声波发射模块9的位姿、交变磁场发射模块10的位姿和被刺激对象头部的位姿，控制第一机械臂5和第二机械臂3运动以调节超声波发射模块9的位姿和交变磁场发射模块10的位姿，使得超声波波束和交变磁场及磁感应交变电场以垂直于设定电场方向的方向交于目标位置；目标位置为被刺激对象头部中的待刺激位置；

其中，超声波波束与交变磁场及磁感应交变电场在目标位置所成夹角大于0度；所述超声波波束与所述磁感应交变电场在所述目标位置所成夹角大于0度。

其中，超声波发射模块9可以是任何一种能够向目标位置发射超声波的装置。本发明实施例不针对超声波发射模块9的具体类型做出限定，且将在下文对超声波发射模块9的具体实例做出描述。同样的，交变磁场发射模块10可以是任何一种能够向目标位置发射电磁波，以在目标位置构建交变磁场的装置。本发明实施例不针对交变磁场发射模块10的具体类型做出限定，且将在下文对交变磁场发射模块10的具体实例做出描述。第一机械臂5和第二机械臂3可以在控制模块7的控制下进行活动，能够调节超声波发射模块9和交变磁场发射模块10的位置和姿态的机械臂均可作为第一机械臂5或第二机械臂3，本发明实施例不针对第一机械臂5或第二机械臂3的具体结构做出限定。示例性的，第一机械臂5或第二机械臂3可以是6轴机械臂，6轴机械臂可以改变安装于6轴机械臂上的物体的三维空间位置和三维空间朝向。机械臂可以包括步进电机，并通过步进电机带动内部部件运动，实现安装于机械臂上的物体的位置和姿态改变。定位模块8可以是任意一种能够获取超声波发射模块9、交变磁场发射模块10和被刺激对象头部之间的位置，以及超声波发射模块的姿态、交变磁场发射模块的姿态和被刺激对象头部的姿态的装置。本发明实施例不针对定位模块8的具体构成做出限定。例如，定位模块可以包括激光测距装置和姿态感知装置，激光测距装置可以获取超声波发射模块9、交变磁场发射模块10和被刺激对象头部之间的位置关系，姿态感知装置可包括方向传感器，可以获取超声波发射模块的姿态、交变磁场发射模块的姿态和被刺激对象头部的姿态。

由于电磁波中的交变磁场与超声波能够产生磁声耦合以在被刺激对象头部的目标位置形成电场。且电场强度与电场方向为超声波与交变磁场的矢量积。因此，需确保超声波波束与交变磁场在目标位置所成夹角大于0度；确保超声波波束与磁感应交变电场在目标位置所成夹角大于0度。

控制模块7可以是工控机或者个人计算机，任意一种能够满足控制模块计算功能的计算机设备均可以作为控制模块7。控制模块7可以根据定位模块8获取的超声波发射模块9、交变磁场发射模块10和被刺激对象头部之间的相对位置和相对姿态，调整第一机械臂5和第二机械臂3。还可以根据第一机械臂5或第二机械臂3的位置建立机械臂基坐标系，并根据上述相应机械臂的中心位置和上述相应机械臂的法兰坐标系的偏移量以及旋转量确定定位模块8获取的超声波发射模块的位姿、交变磁场发射模块的位姿和被刺激对象头部的位姿与机械臂基坐标系的对应关系，并将定位模块8获取的超声波发射模块9、交变磁场发射模块10和被刺激对象头部之间的相对位置和相对姿态整合至机械臂基坐标系中，得到超声波发射模块9、被刺激对象头部和交变磁场发射模块10在机械臂基坐标系下的绝对位置数据。可通过数据传输的方式，控制模块7接收到被刺激对象头部的靶点位置，即目标位置；接收到被刺激对象头部的靶点位置的待刺激方向，即设定电场方向。示例性的，可以是通过磁共振成像MRI设备获取被刺激对象头部的图像，进而利用图像分割技术、等值面/体绘制方法对脑功能区进行标注，以确定目标位置和设定电场方向。控制模块7通过控制第一机械臂5和第二机械臂3调整超声波发射模块9和交变磁场发射模块10的位置和角度，使交变磁场发射模块10产生的感应磁场与超声波发射模块9产生的超声场以垂直于设定电场方向的方向在目标位置内重合，使得目标位置产生磁声耦合电场。图2为本发明实施例提供的一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置的工作原理图，参见图2。由于产生出的磁声耦合电场E_MA的电场方向与超声波V的波束垂直，并且与交变磁场B垂直，磁声耦合电场E_MA的电场方向为设定电场方向。交变磁场B的波束会在待刺激靶点位置产生磁感应电场E_M，磁感应电场E_M与磁声耦合电场E_MA方向相同，强度叠加，使得装置产生磁声耦合电场E_MA与磁感应电场E_M的复合电场，再加上原有超声波V的超声场，可以在脑内靶区产生磁声耦合电场E_MA、磁感应电场E_M与超声波V的超声场三个物理场的聚焦复合场，具有更好的刺激效果。通过本装置自动调节目标位置及设定电场方向，保证了刺激靶点位置及刺激方向的准确性，提高了装置的易用性。

图3为本发明实施例提供的一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置的另一结构示意图，参见图3。在另一些实施例中，还包括交变线圈定位器11、聚焦超声换能器定位器12和头部定位器13。

交变磁场发射模块包括交变线圈2和交变磁场激励装置(图中未示出)；

超声波发射模块包括聚焦超声换能器4和脉冲超声激励源(图中未示出)；

交变线圈定位器11固定于交变线圈2上；

聚焦超声换能器定位器12固定于聚焦超声换能器4上；

头部定位器13用于待刺激对象头部；

定位模块用于获取交变线圈定位器11的位姿、聚焦超声换能器定位器12的位姿和头部定位器13的位姿，并将交变线圈定位器11的位姿作为交变磁场发射模块的位姿，将聚焦超声换能器定位器12的位姿作为超声波发射模块的位姿，将头部定位器13的位姿作为待刺激对象头部的位姿。

其中，交变磁场激励装置的输出端与交变线圈的输入端连接。交变线圈可以是圆形结构，也可以是8字形结构，其可以是铜线绕制而成。其中8字形结构的交变线圈有着更好的磁场聚焦性。聚焦超声换能器的输入端与脉冲超声激励源的输出端连接。交变线圈定位器11、聚焦超声换能器定位器12和头部定位器13均为能够协助定位模块获取各自对应测量对象的位姿信息的装置，本发明实施例不针对其具体类型进行限定。并将在下文示例性的具体介绍一类定位器。定位模块可以根据各个定位器的特征获取交变线圈定位器11的位姿、聚焦超声换能器定位器12的位姿和头部定位器13的位姿，由于上述各定位器均安装于各自对应测量对象上，因此可以将交变线圈定位器11的位姿作为交变磁场发射模块的位姿，将聚焦超声换能器定位器12的位姿作为超声波发射模块的位姿，将头部定位器13的位姿作为待刺激对象头部的位姿。通过引入交变线圈定位器11、聚焦超声换能器定位器12和头部定位器13，使得定位过程更加直观且直接，提高了定位精度。

在另一些实施例中，交变线圈定位器11、聚焦超声换能器定位器12和头部定位器13均包括多个光感单元。

其中，定位模块可以采集光感单元的图像，并通过检测获取到的光感单元的图像大小判断定位器距离，例如获取到的光感单元图像较大，可以认为定位器距离定位模块较近；获取到的光感单元图像较小，可以认为定位器距离定位模块较远。光感单元图像尺寸与定位器距离的对应关系可以根据测量得出。通过多个光感单元之间的位置关系可以判断定位器的姿态。由于对于光感单元的测量简单方便，且测量技术成熟，因此测量结果可靠性较高。

在另一些实施例中，光感单元包括近红外光感单元，定位模块包括近红外双目相机。

其中，近红外光是指波长在780～2526nm范围内的电磁波。近红外双目相机可以获取多组近红外光感单元的图像，以获取交变线圈定位器、聚焦超声换能器定位器和头部定位器的位姿信息。

在另一些实施例中，光感单元包括光感小球。

在另一些实施例中，超声波波束与交变磁场及磁感应交变电场在目标位置所成夹角为90度；超声波波束与磁感应交变电场在目标位置所成夹角所成夹角为90度。

其中，由于电磁波中的交变磁场与超声波能够产生磁声耦合以在被刺激对象头部的目标位置形成磁声耦合电场。且电场强度与电场方向为超声波与交变磁场的矢量积。因此超声波波束与交变磁场及磁感应交变电场在目标位置所成角度均为90度时的磁声耦合电场强度最大，能够确保刺激强度最高。

继续参见图1，在另一些实施例中，交变磁场发射模块10包括交变线圈2和交变磁场激励装置1，交变磁场激励装置1用于向交变线圈2输出交变电流；

第二机械臂3与交变线圈2连接。

其中，交变磁场激励装置1可以包括储能电容、脉冲整形电路以及可控硅开关；储能电容分别与脉冲整形电路和可控硅开关电连接。交变磁场激励装置由高压电源经整流后对储能电容进行充电，通过电容充放电得到交变电流，通过脉冲整形电路将交变电流整形并输出。交变磁场激励装置1可以产生一定重复频率和一定脉宽的交变电流，例如1Hz重复频率280μs脉宽的交变电流。交变线圈2接收到上述交变电流，基于电磁感应理论，交变线圈2即可产生相应的交变磁场。例如1Hz重复频率280μs的交变磁场。由于第二机械臂3与交变线圈2连接，因此可通过第二机械臂3的运动，改变交变磁场发射模块的交变线圈2的位姿。

在另一些实施例中，超声波发射模块9包括聚焦超声换能器4和脉冲超声激励源6，脉冲超声激励源6用于向聚焦超声换能器4提供激励；

第一机械臂5与聚焦超声换能器4连接。

其中，聚焦超声换能器4可以是单阵元聚焦超声换能器，也可以是相控阵聚焦超声换能器。其主频可以是0.3-5MHz，可基于待刺激对象的所需刺激深度进行频率选择。脉冲超声激励源6的激励通道数与聚焦超声换能器4的阵元数目一致，以确保每个通道可以对每个阵元单独激励。由于第一机械臂5与聚焦超声换能器4连接，因此可通过第一机械臂5的运动，改变超声波发射模块9的聚焦超声换能器4的位姿。

在另一些实施例中，超声波发射模块9受控于控制模块7，控制模块7用于通过调节激励通道的脉冲激励参数，以调节相控阵聚焦超声换能器的焦点位置。

其中，脉冲超声激励源6的各个激励通道的激励参数由控制模块7控制。激励参数可以包括激励电压、激励脉宽以及激励频率等。通过控制模块7对每个激励通道的脉冲激励参数的调节，可以使聚焦超声换能器4发出焦距及焦点位置均可调节的聚焦超声脉冲信号。脉冲超声激励源6及控制模块7可以为Verasonics超声开发平台。

在另一些实施例中，还包括头部固定装置，用于固定被刺激对象头部。

其中，头部固定装置可以是任意一种现有的头部固定装置，本发明实施例不对其具体结构及构成进行限定。

可以理解的是，本装置不仅可对人进行刺激，还可以对大鼠、小鼠或猴子等动物进行刺激。在刺激过程中可以通过调整交变磁场激励装置输出的电流大小以实现建立不同强度的磁场，通过调整脉冲超声激励源以调整超声激励的大小，进而实现不同强度的超声声压，从而满足不同刺激强度的需要。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种结合精密导航定位的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，包括：

超声波发射模块，用于发射超声波波束；

交变磁场发射模块，用于提供交变磁场及磁感应交变电场；

第一机械臂，与所述超声波发射模块连接；

第二机械臂，与所述交变磁场发射模块连接；

定位模块，用于获取所述超声波发射模块的位姿、所述交变磁场发射模块的位姿和被刺激对象头部的位姿；

控制模块，分别与所述第一机械臂、所述第二机械臂和所述定位模块电连接，用于根据所述超声波发射模块的位姿、所述交变磁场发射模块的位姿和所述被刺激对象头部的位姿，控制所述第一机械臂和所述第二机械臂运动以调节所述超声波发射模块的位姿和所述交变磁场发射模块的位姿，使得所述超声波波束和所述交变磁场及所述磁感应交变电场以垂直于设定电场方向的方向交于目标位置；所述目标位置为所述被刺激对象头部中的待刺激位置；

其中，所述超声波波束与所述交变磁场在所述目标位置所成夹角大于0度；所述超声波波束与所述磁感应交变电场在所述目标位置所成夹角大于0度。

2.根据权利要求1所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，还包括交变线圈定位器、聚焦超声换能器定位器和头部定位器；

所述交变磁场发射模块包括交变线圈和交变磁场激励装置；

所述超声波发射模块包括聚焦超声换能器和脉冲超声激励源；

所述交变线圈定位器固定于所述交变线圈上；

所述聚焦超声换能器定位器固定于所述聚焦超声换能器上；

所述头部定位器用于待刺激对象头部；

所述定位模块用于获取所述交变线圈定位器的位姿、所述聚焦超声换能器定位器的位姿和所述头部定位器的位姿，并将所述交变线圈定位器的位姿作为所述交变磁场发射模块的位姿，将所述聚焦超声换能器定位器的位姿作为所述超声波发射模块的位姿，将所述头部定位器的位姿作为所述待刺激对象头部的位姿。

3.根据权利要求2所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述交变线圈定位器、所述聚焦超声换能器定位器和所述头部定位器均包括多个光感单元。

4.根据权利要求3所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述光感单元包括近红外光感单元，所述定位模块包括近红外双目相机。

5.根据权利要求1所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述超声波波束与所述交变磁场在所述目标位置所成夹角为90度；所述超声波波束与所述磁感应交变电场在所述目标位置所成夹角为90度。

6.根据权利要求1所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述交变磁场发射模块包括交变线圈和交变磁场激励装置，所述交变磁场激励装置用于向所述交变线圈输出交变电流；

所述第二机械臂与所述交变线圈连接。

7.根据权利要求1所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述超声波发射模块包括聚焦超声换能器和脉冲超声激励源，所述脉冲超声激励源用于向所述聚焦超声换能器提供激励；

所述第一机械臂与所述聚焦超声换能器连接。

8.根据权利要求6所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述交变磁场激励装置包括储能电容、脉冲整形电路以及可控硅开关；

所述储能电容分别与所述脉冲整形电路和所述可控硅开关电连接。

9.根据权利要求6所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述交变线圈为8字形。

10.根据权利要求7所述的无创脑深部精准复合场刺激装置，其特征在于，所述聚焦超声换能器包括单阵元聚焦超声换能器或相控阵聚焦超声换能器；

所述脉冲超声激励源的激励通道与所述聚焦超声换能器的阵元一一对应。

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