CN113679947A - 一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置与方法，该装置包括超声探头、磁场发生组件和信号采集组件；磁场发生组件包括操作台和亥姆霍兹线圈；其特征在于，亥姆霍兹线圈放置在操作台上，且连接电源；待刺激对象置于操作台上，待刺激对象的头部位于亥姆霍玆线圈的中间，亥姆霍兹线圈通电产生磁场，通过改变电源输出电流的大小和类型，调节磁场的大小和类型；超声探头作用在待刺激对象的头部，光电信号采集组件用于采集待刺激对象受到刺激后的荧光信号和局部场电位信号。该装置实现了磁场大小和类型的可调，采集受到刺激后的局部场电位信号和荧光信号，将局部场电位信号的耦合强度与荧光信号的强度变化进行融合构建调节指标，实现精准调控。
Description
技术领域
本发明属于神经调控技术领域，具体涉及一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置与方法。
背景技术
神经精神类疾病已经成为影响人们生活质量的重要因素，目前常用的神经调控手段分为：侵入式和非侵入式两大类。侵入式手段主要包括深部脑刺激等，将电极植入大脑深部，通过微电流刺激进行神经调控，治疗运动障碍性神经疾病，该手段存在手术风险，安全系数较低。非侵入式手段主要采用声、光、电磁等物理能量进行神经调控，不需要侵入式手术，目前常用非侵入式神经调控包括经颅磁刺激、经颅直流电刺激等，此类方法存在刺激深度不够与分辨率较低等问题。
经颅磁声耦合电刺激作为一种新型无创的神经调控手段，具有高空间分辨率、非侵入性、对神经进行直接调控等优点，受到越来越广泛的关注。刺激系统在超声刺激的同时引入磁场，使神经组织中的离子在均匀磁场中受到超声作用力产生振动进而受到洛伦兹力作用，正负离子朝相反方向运动，产生感应电流与电场，以实现对相应脑区进行神经调控的目的。
现有磁声耦合电刺激装置大多采用永磁体产生静磁场，磁场大小固定，磁场种类单一，若改变磁场大小，则需要更换不同型号的永磁体，给研究带来诸多不便。
本发明提出一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置与方法，该装置能够根据需要调节磁场大小和改变磁场性质，产生直流磁场、交流磁场、交流偏置磁场和混合磁场，实现磁场的无级调节。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置与方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置，包括超声探头、磁场发生组件和信号采集组件；磁场发生组件包括操作台和亥姆霍兹线圈；其特征在于，亥姆霍兹线圈放置在操作台上，且连接电源；待刺激对象置于操作台上，待刺激对象的头部位于亥姆霍玆线圈的中间，亥姆霍兹线圈通电产生磁场，通过改变电源输出电流的大小和类型，调节磁场的大小和类型；超声探头作用在待刺激对象的头部，光电信号采集组件用于采集待刺激对象受到刺激后的荧光信号和局部场电位信号。
该装置能够产生直流磁场、交流磁场和混合磁场；当电源输出直流电，则亥姆霍兹线圈产生均匀磁场；当电源输出交流电，亥姆霍兹线圈产生交流磁场；当电源交替输出直流电和交流电，亥姆霍兹线圈产生直流和交流交替的混合磁场。
所述光电信号采集组件包括光电信号电极片、电信号发射模块、激光发射模块和信号采集与处理模块；光电信号电极片植入在待刺激对象的颅脑内，光电信号电极片上设有电极端子和光纤端子，电极端子与电信号收集模块连接，光纤端子与激光发射模块连接；信号采集与处理模块采集荧光信号和局部场电位信号。
所述光电信号电极片上包含四个呈阵列排布的电极端子，相邻电极端子之间的中心距为 300μm，单个电极端子的直径为25μm。
所述超声探头上设有超声相控阵列，阵元数为64，阵元宽度为0.25mm，阵元长度为14mm，相邻阵元的间距为0.3mm。
本发明还提供一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激方法，其特征在于，包括以下内容：
(1)将标记物植入到待刺激对象的颅脑内，在待刺激对象的脑部安装光电信号电极片，采集无刺激下的荧光信号和局部场电位信号，作为对照信号；
(2)将待调控对象的头部置于操作台上，位于两个电磁铁之间；
(3)将超声探头作用在待刺激对象的目标脑区，接通磁场控制电路和超声发射系统，对待刺激对象进行超声和静磁场刺激，超声方向和磁场方向相互垂直，在超声和静磁场的共同作用下神经组织内产生感应电流，刺激神经组织；
(4)光电信号采集组件采集磁声电刺激下的荧光信号和局部场电位信号，分析得到磁声电刺激下荧光信号和局部场电位信号相对于对照信号的变化情况，通过改变磁场强度和超声基频对待刺激对象实现精准神经调控。
步骤(4)的分析过程为：
4-1、对采集的局部场电位信号进行去基线漂移、去工频干扰和滤波处理，将光电信号电极片其中一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号的相位进行交叉频率耦合，得到局部场电位信号的相-相耦合强度；
4-2、将光电信号电极片另一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号中低频段的相位和高频段的幅值进行交叉频率耦合，得到局部场电位信号的相-幅耦合强度；
4-3、对采集的荧光信号进行相位与幅值耦合，得到荧光信号调制指数；
4-4、构建式(11)所示的调控指标C：
其中，MI表示局部场电位信号的相-幅耦合强度，SI表示局部场电位信号的相-相耦合强度，MIF表示荧光信号调制指数，ΔF表示荧光信号的强度变化率；
设置调控阈值C1，当C＜C1，则增大磁场强度或超声基频；当C＞C1，则减小磁场强度或超声基频，进而对待刺激对象实现精准神经调控。
步骤4-2的具体过程为：
将局部场电位信号记为时间序列x(t)，将光电信号电极片另一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号分别经过最小二乘滤波器处理后，分别得到低频序列xfP(t)和高频序列xfA(t)；根据式(6)、(7)分别提取其中一个局部场电位信号对应的低频序列xfP(t)的相位序列φfP(t)和另一个局部场电位信号对应的高频序列xfA(t)的幅值包络序列AfA(t)；
其中，fp、fA分别为时间序列x(t)的相位和幅值；H表示标准化熵度量，表达式为：
式(8)中，pj的表达式为：
式(9)中，＜AfA＞φfp(j)表示将相位序列φfP(t)划分为J个区间段，第j个区间段的平均幅值；
局部场电位信号的相-幅耦合强度MI的表达式为：
当pj＝1/J时，H有最大值Hmax。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该装置通过亥姆霍兹线圈产生任意大小的磁场，通过调节电源输出电流的大小和方向，改变磁场大小和性质，实现磁场无级可调，具有方便、快捷、安全等优点，同时克服了永磁体产生的磁场大小固定的缺陷；通过电源输出不同类型的电流能够产生直流磁场、交流磁场、偏置磁场和混合磁场，磁场类型丰富，拓展了神经调控的研究范围。
2.超声探头上设有超声相控阵列，包含多个阵元，能够在不同刺激模式下对指定区域进行单点或多点的精准调控。
3.局部场电位信号存在50Hz的工频干扰，虽然神经组织中钙离子浓度不受工频干扰，但容易受到光照强度影响，钙离子浓度变化频率与神经组织的放电频率存在一致性，两种信号能够互补，因此同时采集同一脑区的局部场电位信号和荧光信号，能够最大程度去除工频干扰和光照造成的数据误差，提高实验数据的有效性和准确度，最大程度降低实验误差。
4.局部神经集群钙离子浓度的变化，与神经放电活动密切相关，能够反映神经细胞代谢能量波动，结合局部场电位信号，有助于进一步研究神经调控作用机制及其生物效应。
5.本发明提出的调控指标表示式将神经电信号和钙离子信号融合，能够有效合理的体现磁声耦合电刺激的效果，方便刺激参数的调节。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的操作台的结构示意图；
图3为时间反演法的原理图；
图4为超声相控阵列各阵元的激励信号到达预设焦点的传播示意图；
图中，1-超声探头；2-磁场发生组件；3-光电信号采集组件；4-待刺激对象；5-电源；
201-操作台；202-亥姆霍兹线圈；201-1、底板；201-2、隔板；
301-光电信号电极片；302-电信号采集模块；303-激光发射与采集模块；304-信号采集与处理模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，并不以此限定本申请的保护范围。
如图1所示，本发明为一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置(简称装置)，包括超声探头1、磁场发生组件2和信号采集组件3；磁场发生组件2包括操作台201和亥姆霍兹线圈 202；
亥姆霍兹线圈202放置在操作台201上，且连接电源5；待刺激对象置于操作台201上，待刺激对象的头部位于亥姆霍玆线圈202的中间，亥姆霍兹线圈202通电产生磁场，通过改变电源5输出的电流大小，改变亥姆霍兹线圈202的电流大小，进而调节磁场大小，实现磁场在待刺激对象不同脑区的覆盖；
超声探头1作用在待刺激对象的头部，超声探头1与超声发射系统连接，能够产生不同的超声序列，对待刺激对象的特定脑区进行单点或多点聚焦，实现精准调控；
光电信号采集组件3用于采集待刺激对象受到刺激后的荧光信号和局部场电位信号。
该装置能够产生直流磁场、交流磁场和混合磁场；当电源5输出直流电，则亥姆霍兹线圈202产生均匀磁场，调节直流电的大小，即可改变磁场大小；当电源5输出交流电，亥姆霍兹线圈202产生交流磁场，改变输出电流大小，即可改变磁场大小；当电源5交替输出直流电和交流电，亥姆霍兹线圈202产生直流和交流交替的混合磁场。
所述光电信号采集组件3包括光电信号电极片301、电信号采集模块302、激光发射与采集模块303和信号采集与处理模块304；光电信号电极片301植入在待刺激对象的颅脑内，光电信号电极片301上设有电极端子和光纤端子，电极端子通过导线与电信号采集模块302 连接，光纤端子通过导线与激光发射模块与采集303连接；超声探头1产生的超声序列通过超声探头传递至待刺激对象的特定脑区，待刺激对象神经组织中的局部场电位信号通过电极端子传递至信号采集与处理模块304；激光发射与采集模块303发射的激光通过光纤端子传递至待刺激对象的特定脑区，待刺激对象神经组织中的荧光信号通过光线端子反向传递至信号采集与处理模块304；荧光标记物通过一段时间表达，可以有效地与神经细胞中的钙离子结合，激光照射能够使其发出荧光。神经细胞受到不同刺激时，荧光变化不同，荧光信号的强度变化反映了神经组织中钙离子的浓度变化，表征了神经组织的活性以及神经细胞的能量代谢程度。
光电信号电极片301上包含四个呈阵列排布的电极端子，用于采集神经组织集群的局部场电位信号；相邻电极端子之间的中心距为300μm，单个电极端子的直径为25μm，光纤端子的数量可以根据需要设置多个，单个光纤端子的直径为200μm，能够采集光纤端子周围 300-500μm范围内的荧光信号。
如图2所示，所述操作台201包括底板201-1和安装在底板201-1上位置正对的两个隔板201-2，底板201-1上设有两个凹槽，用于安装亥姆霍兹线圈202；通过隔板201-2对两个亥姆霍兹线圈202进行轴向限位，避免两个亥姆霍兹线圈202通电后相互吸引在一起。
亥姆霍兹线圈202的直径为60mm，匝间距为0.1mm，匝数为500，构成亥姆霍兹线圈202的导线的直径为1mm。
所述超声探头1上设有超声相控阵列，阵元数为64，阵元宽度为0.25mm，阵元自身长度为14mm，阵元间距为0.3mm，相控总长为18.9mm，各阵元基波频率为1MHz；超声相控阵列能够实现单点或多点聚焦。
本发明的工作原理和工作流程是：
亥姆霍兹线圈的原理：将一对匝数相同、绕行方式一致、等大的圆形线圈共轴放置，并通以相同方向的电流，当两个线圈之间的间距等于圆形线圈的半径时，这种组合称为亥姆霍兹线圈；根据毕奥-萨伐尔定律，电流元
在任意空间点产生的磁感应强度
为：
其中，μ0为真空磁导率，N为圆形线圈的匝数，r为电流元到空间点的距离；对于半径为R的亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度为：
其中，I为圆形线圈上的电流，x为空间点的位置；
经颅磁声耦合电刺激将静磁场和超声结合起来，共同对生物体施加刺激，由于生物组织中含有带电离子，在施加超声波后生物组织中带电离子会因超声振动产生位移，并且在静磁场的作用下，这些带电离子受到洛伦兹力的作用会发生偏转，从而产生感应电流；通过感应电流作用，影响神经组织的活性，改变其放电节律，实现对待刺激对象神经系统的有效调控，感应电流Iext可表示为：
其中，σ表示组织电导率，B0表示磁感应强度，ρ表示组织密度，c0表示超声传播速度， Iu表示超声强度，f表示超声基频，t表示时间自变量。
如图3所示，采用时间反演法进行声束聚焦，在预设焦点处设置虚拟点源，超声相控阵列的各阵元接收声波，按照后到先发的原则，利用互相关算法计算各阵元发射时的延迟时间，使得各阵元的激励信号可以精准地聚焦在预设焦点处；如图4所示，根据各阵元发射的延迟时间控制各阵元激励信号的发射时间，假定第n个阵元接收到的信号为Xn(t)，其在时域上反转后对应的信号为Xn(T-t)；将此阵元的信号重新定义为Xn'(t)，在每一个反转信号添加一个时间常量t0，则各阵元时间反转信号通式为：
其中，Kn为各阵元的补偿系数。
超声相控阵列各阵元的激励信号强度不一样，一般中心处阵元的权重大于边缘处阵元的权重，可提高主瓣能量，减少旁瓣数量和抑制栅瓣。
超声聚焦方式包括单点聚焦、多点聚焦和区域聚焦，有利于对待刺激对象的脑区进行精准调控；当实现单点聚焦时，超声相控阵列的各阵元不需要分组，精准控制各阵元的发射时间，则能够将各阵元的激励信号聚焦到预设焦点处；当实现多点聚焦时，则需将超声相控阵列的阵元进行分组，分别控制各组阵元的激励信号在预设焦点处聚焦；当实现区域聚焦时，改变超声相控阵列各阵元发射超声的作用角度和相位，使得各阵元的激励信号在预设焦点所在区域聚焦。超声刺激模式包括持续刺激、脉冲刺激和脉冲簇刺激。
本发明的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激方法，包括以下内容：
(1)将荧光标记物植入到待刺激对象的颅脑内，在待刺激对象的脑部安装光电信号电极片，采集无刺激下的荧光信号和局部场电位信号，作为对照信号；
(2)将待刺激对象的头部置于操作台上，位于两个亥姆赫兹线圈之间；
(3)接通磁场控制电路和超声发射系统，对待刺激对象的目标脑区进行超声刺激和静磁场刺激，超声方向和磁场方向相互垂直，在超声和静磁场的共同作用下神经组织内产生感应电流，刺激神经组织；
(4)采集磁声耦合电刺激下目标脑区的荧光信号和局部场电位信号，分析得到磁声耦合电刺激下荧光信号和局部场电位信号相对于对照信号的变化情况，通过改变磁场强度和超声基频对待刺激对象实现精准神经调控。
步骤(4)的分析过程为：
4-1、对采集的局部场电位信号进行去基线漂移、去工频干扰和滤波处理，利用式(5) 将光电信号电极片其中一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号的相位进行交叉频率耦合，得到局部场电位信号的相-相耦合强度SI；
其中，m为时刻点个数，i表示复数，
为t时刻其中一个电极端子采集的局部场电位信号中高频段的相位值，
为t时刻另一个电极端子采集的局部场电位信号中低频段的相位值；局部场电位信号的相-相耦合强度SI为复数，其大小为|SI|，反映了相位同步程度，|SI|的值介于0～1之间，0表示相位完全不同步，1表示相位值完全同步；
4-2、将光电信号电极片另一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号中低频段的相位和高频段的幅值进行交叉频率耦合，得到局部场电位信号的相-幅耦合强度，用调制指数MI表征局部场电位信号的相-幅耦合强度；
具体过程为：将局部场电位信号记为时间序列x(t)，将另一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号分别经过最小二乘滤波器处理后，分别得到低频序列xfP(t)和高频序列 xfA(t)；根据式(6)、(7)分别提取其中一个局部场电位信号对应的低频序列xfP(t)的相位序列φfP(t)和另一个局部场电位信号对应的高频序列xfA(t)的幅值包络序列AfA(t)；
其中，fp、fA分别为时间序列x(t)的相位和幅值；H表示标准化熵度量，表达式为：
式(8)中，pj的表达式为：
式(9)中，＜AfA＞φfp(j)表示将相位序列φfP(t)划分为J个区间段，第j个区间段的平均幅值；
式(8)中，当pj＝1/J时，H的最大值为Hmax，由标准化熵表征的调制指数MI满足式(10)；调制指数MI越大，表示局部场电位信号的相-幅耦合强度越大；调制指数MI越小，表示局部场电位信号的相-幅耦合强度越小；
4-3、对采集的荧光信号进行相位与幅值耦合，得到荧光信号调制指数MIF；
4-4、构建式(11)所示的调控指标C，设置调控阈值C1；当C＜C1，则增大磁场强度或超声基频；当C＞C1，则减小磁场强度或超声基频，进而对待刺激对象实现精准神经调控；
式(11)中，ΔF表示荧光信号的强度变化率，其表达式为：
ΔF＝(F-F0)/F0 (12)
其中，F表示当前荧光信号强度，F0表示基线荧光信号强度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的较佳实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离发明设计精神的前提下，凡依据本发明的技术实质对以上实例的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (8)
1.一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置，包括超声探头、磁场发生组件和信号采集组件；磁场发生组件包括操作台和亥姆霍兹线圈；其特征在于，亥姆霍兹线圈放置在操作台上，且连接电源；待刺激对象置于操作台上，待刺激对象的头部位于亥姆霍玆线圈的中间，亥姆霍兹线圈通电产生磁场，通过改变电源输出电流的大小和类型，调节磁场的大小和类型；超声探头作用在待刺激对象的头部，光电信号采集组件用于采集待刺激对象受到刺激后的荧光信号和局部场电位信号。
2.根据权利要求1所述的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置，其特征在于，该装置能够产生直流磁场、交流磁场和混合磁场；当电源输出直流电，则亥姆霍兹线圈产生均匀磁场；当电源输出交流电，亥姆霍兹线圈产生交流磁场；当电源交替输出直流电和交流电，亥姆霍兹线圈产生直流和交流交替的混合磁场。
3.根据权利要求1所述的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置，其特征在于，所述光电信号采集组件包括光电信号电极片、电信号发射模块、激光发射模块和信号采集与处理模块；光电信号电极片植入在待刺激对象的颅脑内，光电信号电极片上设有电极端子和光纤端子，电极端子与电信号收集模块连接，光纤端子与激光发射模块连接；信号采集与处理模块采集荧光信号和局部场电位信号。
4.根据权利要求3所述的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置，其特征在于，光电信号电极片上包含四个呈阵列排布的电极端子，相邻电极端子之间的中心距为300μm，单个电极端子的直径为25μm。
5.根据权利要求1所述的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激装置，其特征在于，所述超声探头上设有超声相控阵列，阵元数为64，阵元宽度为0.25mm，阵元长度为14mm，相邻阵元的间距为0.3mm。
6.一种磁场可控的经颅磁声耦合电刺激方法，其特征在于，包括以下内容：
(1)将标记物植入到待刺激对象的颅脑内，在待刺激对象的脑部安装光电信号电极片，采集无刺激下的荧光信号和局部场电位信号，作为对照信号；
(2)将待调控对象的头部置于操作台上，位于两个电磁铁之间；
(3)将超声探头作用在待刺激对象的目标脑区，接通磁场控制电路和超声发射系统，对待刺激对象进行超声和静磁场刺激，超声方向和磁场方向相互垂直，在超声和静磁场的共同作用下神经组织内产生感应电流，刺激神经组织；
(4)光电信号采集组件采集磁声电刺激下的荧光信号和局部场电位信号，分析得到磁声电刺激下荧光信号和局部场电位信号相对于对照信号的变化情况，通过改变磁场强度和超声基频对待刺激对象实现精准神经调控。
7.根据权利要求6所述的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激方法，其特征在于，步骤(4)的分析过程为：
4-1、对采集的局部场电位信号进行去基线漂移、去工频干扰和滤波处理，将光电信号电极片其中一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号的相位进行交叉频率耦合，得到局部场电位信号的相-相耦合强度；
4-2、将光电信号电极片另一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号中低频段的相位和高频段的幅值进行交叉频率耦合，得到局部场电位信号的相-幅耦合强度；
4-3、对采集的荧光信号进行相位与幅值耦合，得到荧光信号调制指数；
4-4、构建式(11)所示的调控指标C：
其中，MI表示局部场电位信号的相-幅耦合强度，SI表示局部场电位信号的相-相耦合强度，MIF表示荧光信号调制指数，ΔF表示荧光信号的强度变化率；
设置调控阈值C1，当C＜C1，则增大磁场强度或超声基频；当C＞C1，则减小磁场强度或超声基频，进而对待刺激对象实现精准神经调控。
8.根据权利要求7所述的磁场可控的经颅磁声耦合电刺激方法，其特征在于，步骤4-2的具体过程为：
将局部场电位信号记为时间序列x(t)，将光电信号电极片另一条对角线上的两个电极端子采集的局部场电位信号分别经过最小二乘滤波器处理后，分别得到低频序列
和高频序列
根据式(6)、(7)分别提取其中一个局部场电位信号对应的低频序列
的相位序列
和另一个局部场电位信号对应的高频序列
的幅值包络序列
其中，fp、fA分别为时间序列x(t)的相位和幅值；H表示标准化熵度量，表达式为：
式(8)中，pj的表达式为：
式(9)中，
表示将相位序列
划分为J个区间段，第j个区间段的平均幅值；
局部场电位信号的相-幅耦合强度MI的表达式为：
当pj＝1/J时，H有最大值Hmax。
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