CN114588545A - 一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法及系统，属于非侵入式神经刺激领域，包括：于预定的生物组织区域同时施加第一预设频率的第一高频磁场和第二预设频率的第二高频磁场；第一高频磁场产生的第一交变感应电场和第二高频磁场产生的第二交变感应电场进行干涉，形成低频包络电场，以通过低频包络电场对需要刺激的预定的生物组织区域进行深度刺激。本发明基于两路不同频率的高频磁场，转换成不同频率的交变感应电场，进行相干并形成低频包络电场，由于脑部组织具有高阻抗特性，高频磁场的刺激波形和振幅与神经组织关联度较小，使得转换后形成交变感应电场的低频包络电场可以保持预定的波形条件，进而对深度神经调控刺激。

Description

一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法及系统

技术领域

本发明涉及非侵入式神经刺激领域，尤其涉及一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法及系统。

背景技术

非侵入性神经调控刺激无创、安全及易操作，在临床治疗上已得到应用。其主要包括经颅磁刺激(Transcranialmagneticstimulation，TMS)和经颅电刺激(TranscranialElectricalStimulation，TES)、声频刺激及光频刺激等。经颅磁刺激TMS是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑)，改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。经颅电刺激TES是一种非侵入性的、利用恒定、低强度直流电(0.5mA-3mA)调节大脑皮层神经元活动的技术。但非侵入性神经刺激深度主要在大脑皮层。经颅磁刺激和电刺激可以通过特殊线圈和波长调整，可作用到大脑深部，但精准性不够，大脑浅表层也会受到影响。

现有技术中，通过2对电极各施加2个不同频率的交流电，共同作用于大脑时，两个频率相近的电磁波在大脑内某个位置相遇时部分相干并形成一个包络电场，且该包络电场的频率为两者之差，从而激活该位置的神经元群。但是注入的电流密度和电场大小、形状和方向随着阻抗和组织结构的波动而变化，在电压控制系统中，注入组织的电流和电流密度以及电场的大小将取决于电极之间的阻抗，因此电极阻抗变化起着至关重要的作用。在电流控制系统中，注入电流的密度和电场强度保持不变，注入电压波形就出现改变，电场波形将不同于预定的形状，由于这些限制大大地降低了空间精度，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法及系统，以满足实际使用的需要。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法及系统。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，包括：

于一预定的生物组织区域同时施加一第一预设频率的第一高频磁场和一第二预设频率的第二高频磁场，所述第一预设频率与所述第二预设频率不同；

所述第一高频磁场产生第一交变感应电场，所述第二高频磁场产生第二交变感应电场；

所述第一交变感应电场和所述第一交变感应电场于所述预定的生物组织区域中进行干涉，形成一第三频率的低频包络电场，以通过所述低频包络电场对需要刺激的所述预定的生物组织区域进行深度刺激，其中，所述第三频率为所述第一交变感应电场与所述第二交变感应电场的频率差值。

优选地，所述第一交变感应电场的频率与所述第一预设频率成正比例；

所述第二交变感应电场的频率与所述第二预设频率成正比例。

优选地，还包括：

提供一对磁感应线圈，所述一对磁感应线圈包括：第一磁感应线圈，用以产生所述第一高频磁场；第二磁感应线圈，用以产生所述第二高频磁场；

对所述第一磁感应线圈、所述第二磁感应线圈的参数分别进行调整，进而调整得到刺激所需的所述低频包络电场，所述参数包括磁场频率和/或磁场强度和/或线圈直径和/或线圈位置和/或线圈角度。

优选地，还包括：

根据刺激要求和刺激反馈信息，调整所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压，进而对所述预定的生物组织区域的位置、范围进行微调。

优选地，所述一对磁感应线圈的形状为双“拍”型或“8”型。

本发明还提供一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，用于实施如上述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，包括：

一对磁感应线圈，朝向一预定的生物组织区域设置，所述一对磁感应线圈包括：第一磁感应线圈，用以提供一第一高频磁场；第二磁感应线圈，用以提供一第二高频磁场；

刺激控制单元，连接所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈，用以控制所述第一磁感应线圈施加第一预设频率的所述第一高频磁场，以及控制所述第二磁感应线圈施加第二预设频率的所述第二高频磁场；

其中，所述第一高频磁场产生第一交变感应电场，所述第二高频磁场产生第二交变感应电场；

所述第一交变感应电场和所述第一交变感应电场于所述预定的生物组织区域中进行干涉，形成一第三频率的低频包络电场，以通过所述低频包络电场对需要刺激的所述预定的生物组织区域进行深度刺激，其中，所述第三频率为所述第一交变感应电场与所述第二交变感应电场的频率差值。

优选地，还包括：

刺激调整单元，连接所述刺激控制单元，用于对所述第一磁感应线圈、所述第二磁感应线圈的参数分别进行调整，进而调整得到刺激所需的所述低频包络电场，所述参数包括磁场频率和/或磁场强度和/或线圈直径和/或线圈位置和/或线圈角度。

优选地，还包括：

刺激微调单元，连接所述刺激控制单元，用于根据刺激要求和刺激反馈信息，调整所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压，进而对所述预定的生物组织区域的位置、范围进行微调。

优选地，所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈分别固定在一调节机构上，所述调节机构用以对所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈进行调整。

优选地，所述调节机构的制备材料为非金属材料或非磁感应金属材料。

本发明的有益效果在于：

本发明基于大脑的低通滤波特性，向脑部组织施加两路不同频率的高频磁场，转换成不同频率的交变感应电场，交变感应电场间进行相干并形成低频包络电场，低频包络电场在深度脑部区域形成刺激，以对目标组织进行非侵入性脑刺激；同时由于脑部组织具有高阻抗等特性，经过脑部表层的高频磁场的刺激波形和振幅与神经组织关联度较小，不产生刺激反应，避免磁场发生严重失真，也使得转换后形成交变感应电场的低频包络电场可以保持预定的波形条件，进而对深部神经调控刺激。

附图说明

图1为本发明较佳的实施例中，基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法的流程示意图；

图2为本发明较佳的实施例中，两路高频磁场同时形成低频包络电场刺激的原理示意图；

图3为本发明较佳的实施例中，两路交变感应电场下神经组织产生感应时的电流示意图；

图4为本发明较佳的实施例中，基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明实施例提供一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，属于非侵入式神经刺激领域，如图1所示，包括：

于一预定的生物组织区域同时施加一第一预设频率的第一高频磁场和一第二预设频率的第二高频磁场，第一预设频率与第二预设频率不同；

第一高频磁场产生第一交变感应电场，第二高频磁场产生第二交变感应电场；

第一交变感应电场和第一交变感应电场于预定的生物组织区域中进行干涉，形成一第三频率的低频包络电场，以通过低频包络电场对需要刺激的预定的生物组织区域进行深度刺激，其中，第三频率为第一交变感应电场与第二交变感应电场的频率差值。

具体的，在本实施例中，基于大脑的低通滤波特性，向脑部组织施加两路不同频率的高频磁场(即磁场频率≥1KHz)，转换成两个不同频率的交变感应电场，交变感应电场间相干形成一个对神经敏感的低频包络电场，进而通过调整好位置、强度的低频包络电场对需要刺激的预定的生物组织区域进行非侵入性脑刺激，刺激激活的区域即为两个交变感应电场相干涉的最大幅值区域。

需注意的是，高频磁场和交变感应电场的频率高于神经膜反应，在没有发生包络电场的大脑区域，神经元不会被高频磁场和交变感应电场激活，而在需要刺激的预定的生物组织区域产生频率为⊿f的低频包络电场，神经元被低频包络电场激活，进而产生刺激。

进一步的，由于脑部组织具有高阻抗，高频磁场的刺激波形和振幅与神经组织关联度较小，磁场不会发生严重的失真，使得转换形成交变感应电场的低频包络电场可以保持预定的条件，进而对神经调控刺激。

作为优选的实施方式，其中，如图2和图3所示，第一交变感应电场的频率与第一预设频率成正比例；

第二交变感应电场的频率与第二预设频率成正比例。

具体的，在本实施例中，第一预设频率为S(F)，第一交变感应电场的频率为E(f)，且E(f)∝S(F)；

第二预设频率为S(F+⊿F)，第二交变感应电场的频率为E(f+⊿f)，且E(f+⊿f)∝S(F+⊿F)，进而形成的低频包络电场的频率为⊿f，实现生物组织区域的深度刺激。

作为优选的实施方式，其中，如图2和图3所示，还包括：

提供一对磁感应线圈，一对磁感应线圈包括：第一磁感应线圈，用以产生第一高频磁场；第二磁感应线圈，用以产生第二高频磁场；

对第一磁感应线圈、第二磁感应线圈的参数分别进行调整，进而调整得到刺激所需的低频包络电场，参数包括磁场频率和/或磁场强度和/或线圈直径和/或线圈位置和/或线圈角度。

具体的，在本实施例中，通过一对磁感应线圈或特殊类型磁感应线圈产生高频磁场，并在预定的生物组织区域中依据磁场产生交变感应电场。优选的，在第一磁感应线圈施加第一预设频率S(F)的第一高频磁场，在第二磁感应线圈施加第二预设频率S(F+⊿F)的第二高频磁场，进而基于高频磁场转换时域电刺激方法使得两个磁感应线圈的高频磁场在生物组织区域产生不同频率的交变感应电场，进而两个交变感应电场形成低频包络电场。

优选的，感应电场和包络电场的电场强度和频率可根据其高频磁场的磁场强度和频率进行调整，通过调整第一磁感应线圈和第二磁感应线圈的频率差改变低频包络电场的第三频率⊿f。

进一步的，本发明实施例还可以通过调整两个磁感应线圈的相对位置、角度、距离，对低频包络电场进行精准定位。

进一步的，上述第一磁感应线圈和第二磁感应线圈可以调控高频磁场频率和强度，一对磁感应线圈的形状可以是双“拍”型或采用标准型“8”型、及根据实际需要定制的特殊型线圈。

作为优选的实施方式，其中，还包括：

根据刺激要求和刺激反馈信息，调整第一磁感应线圈和第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压，进而对预定的生物组织区域的位置、范围进行微调。

具体的，在本实施例中，按照刺激要求对深度生物组织区域进行定位时，会返回刺激反馈信息，进而通过调整第一磁感应线圈和第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压等参数，对刺激部位进行微调，无需较大的改变线圈的机械位置，即可实现刺激区域的精定位。优选的，磁场振幅百分比率、线圈电压等参数可以通过算法进行改变，即在上位机上进行磁场强度和线圈电压比例调整，通过这种方法既可以使得低频包络电场的强度、电压进行相应的调整，还可以实现低频包络电场的位置的调整，通过粗细定位结合，实现刺激区域的精确定位，使得低频包络电场集中对准于较小的目标预期区域，降低其对非目标区域的影响，进一步提高了刺激精确性和刺激深度。

于上述较佳的实施例中，还包括：

通过低频包络电场对单一靶向生物组织区域进行实时刺激或者按时序刺激，刺激强度、刺激频率、每分钟脉冲次数以及刺激位置可根据按照刺激要求和刺激反馈信息得到，进而通过上位机进行智能微调整。

进一步的，还可以设定若干记忆模式，通过机械位置、磁电物理参数(例如强度、频率等)进行调整后，若刺激效果较佳，可以将当前保存为记忆模式，在下一次刺激时，直接调整为记忆模式，便于定期进行相同条件的重复测试。

本发明还提供一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，用于实施如上述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，包括：

一对磁感应线圈，朝向一预定的生物组织区域设置，一对磁感应线圈包括：第一磁感应线圈，用以提供一第一高频磁场；第二磁感应线圈，用以提供一第二高频磁场；

刺激控制单元，连接第一磁感应线圈和第二磁感应线圈，用以控制第一磁感应线圈施加第一预设频率的第一高频磁场，以及控制第二磁感应线圈施加第二预设频率的第二高频磁场；

其中，第一高频磁场产生第一交变感应电场，第二高频磁场产生第二交变感应电场；

第一交变感应电场和第一交变感应电场于预定的生物组织区域中进行干涉，形成一第三频率的低频包络电场，以通过低频包络电场对需要刺激的预定的生物组织区域进行深度刺激，其中，第三频率为第一交变感应电场与第二交变感应电场的频率差值。

作为优选的实施方式，其中，还包括：

刺激调整单元，连接刺激控制单元，用于对第一磁感应线圈、第二磁感应线圈的参数分别进行调整，进而调整得到刺激所需的低频包络电场，参数包括磁场频率和/或磁场强度和/或线圈直径和/或线圈位置和/或线圈角度。

作为优选的实施方式，其中，还包括：

刺激微调单元，连接刺激控制单元，用于根据刺激要求和刺激反馈信息，调整第一磁感应线圈和第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压，进而对预定的生物组织区域的位置、范围进行微调。

作为优选的实施方式，其中，如图4所示，第一磁感应线圈和第二磁感应线圈分别固定在一调节机构上，调节机构用以对第一磁感应线圈和第二磁感应线圈进行调整。

作为优选的实施方式，其中，调节机构的制备材料为非金属材料或非磁感应金属材料。

具体的，在本实施例中，采用6轴机械臂或万向调节臂作为调节机构，调节机构的手臂支架采用非金属材料或非磁感应金属材料制造，导线及高频信号源发生装置采用电磁屏蔽等方法，以避免对磁场或交变感应电场产生干扰。

进一步的，调节机构在XYZ方向可以自由调整，可通过手动或上位机或自动的方式调整上述装载的磁感应线圈的位置、角度，以改变低频包络电场的形成区域位置，对其进行粗定位。

采用上述技术方案的优点或有益效果在于：本发明基于大脑的低通滤波特性，向脑部组织施加两路不同频率的高频磁场，转换成不同频率的交变感应电场，交变感应电场间进行相干并形成低频包络电场，低频包络电场在深度脑部区域形成刺激，以对目标组织进行非侵入性脑刺激；同时由于脑部组织具有高阻抗等特性，高频磁场的刺激波形和振幅与神经组织关联度较小，不产生刺激反应，避免磁场发生严重失真，使得转换后形成交变感应电场的低频包络电场可以保持预定的波形条件，进而对深部神经区域调控刺激。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，其特征在于，包括：

于一预定的生物组织区域同时施加一第一预设频率的第一高频磁场和一第二预设频率的第二高频磁场，所述第一预设频率与所述第二预设频率不同；

所述第一高频磁场产生第一交变感应电场，所述第二高频磁场产生第二交变感应电场；

所述第一交变感应电场和所述第一交变感应电场于所述预定的生物组织区域中进行干涉，形成一第三频率的低频包络电场，以通过所述低频包络电场对需要刺激的所述预定的生物组织区域进行深度刺激，其中，所述第三频率为所述第一交变感应电场与所述第二交变感应电场的频率差值。

2.根据权利要求1所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，其特征在于，所述第一交变感应电场的频率与所述第一预设频率成正比例；

所述第二交变感应电场的频率与所述第二预设频率成正比例。

3.根据权利要求1所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，其特征在于，还包括：

提供一对磁感应线圈，所述一对磁感应线圈包括：第一磁感应线圈，用以产生所述第一高频磁场；第二磁感应线圈，用以产生所述第二高频磁场；

对所述第一磁感应线圈、所述第二磁感应线圈的参数分别进行调整，进而调整得到刺激所需的所述低频包络电场，所述参数包括磁场频率和/或磁场强度和/或线圈直径和/或线圈位置和/或线圈角度。

4.根据权利要求3所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，其特征在于，还包括：

根据刺激要求和刺激反馈信息，调整所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压，进而对所述预定的生物组织区域的位置、范围进行微调。

5.根据权利要求3所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，其特征在于，所述一对磁感应线圈的形状为双“拍”型或“8”型。

6.一种基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，其特征在于，用于实施如权利要求1-5任意一项所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激方法，包括：

一对磁感应线圈，朝向一预定的生物组织区域设置，所述一对磁感应线圈包括：第一磁感应线圈，用以提供一第一高频磁场；第二磁感应线圈，用以提供一第二高频磁场；

刺激控制单元，连接所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈，用以控制所述第一磁感应线圈施加第一预设频率的所述第一高频磁场，以及控制所述第二磁感应线圈施加第二预设频率的所述第二高频磁场；

其中，所述第一高频磁场产生第一交变感应电场，所述第二高频磁场产生第二交变感应电场；

所述第一交变感应电场和所述第一交变感应电场于所述预定的生物组织区域中进行干涉，形成一第三频率的低频包络电场，以通过所述低频包络电场对需要刺激的所述预定的生物组织区域进行深度刺激，其中，所述第三频率为所述第一交变感应电场与所述第二交变感应电场的频率差值。

7.根据权利要求6所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，其特征在于，还包括：

刺激调整单元，连接所述刺激控制单元，用于对所述第一磁感应线圈、所述第二磁感应线圈的参数分别进行调整，进而调整得到刺激所需的所述低频包络电场，所述参数包括磁场频率和/或磁场强度和/或线圈直径和/或线圈位置和/或线圈角度。

8.根据权利要求6所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，其特征在于，还包括：

刺激微调单元，连接所述刺激控制单元，用于根据刺激要求和刺激反馈信息，调整所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈的磁场振幅百分比率、线圈电压，进而对所述预定的生物组织区域的位置、范围进行微调。

9.根据权利要求6所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，其特征在于，所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈分别固定在一调节机构上，所述调节机构用以对所述第一磁感应线圈和所述第二磁感应线圈进行调整。

10.根据权利要求9所述的基于高频磁电转换的非侵入式神经刺激系统，其特征在于，所述调节机构的制备材料为非金属材料或非磁感应金属材料。

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