CN213285410U

CN213285410U - 经颅超声深部刺激实验装置

Info

Publication number: CN213285410U
Application number: CN202021990076.0U
Authority: CN
Inventors: 唐小琴; 王杰; 陈图南; 冯华
Original assignee: First Affiliated Hospital of PLA Military Medical University
Current assignee: Nanfang Hospital; First Affiliated Hospital of PLA Military Medical University
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2030-09-10

Abstract

本实用新型涉及一种经颅超声深部刺激实验装置，属于超声实验领域，包括触摸屏、控制器、水浸式点聚焦超声换能器、三维高精度位移平台；所述水浸式点聚焦超声换能器包括双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器、探头声准直器及水侵式点聚焦超声探头；所述触摸屏、控制器、双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器依次连接，所述探头声准直器设置在三维高精度位移平台上，所述水侵式点聚焦超声探头设置在探头声准直器内。本实用新型可以有效对离体大鼠颅骨和离体大鼠脑组织进行超声刺激，通过三维高精度位移平台可以任意移动探头的位置，用于刺激动物颅骨不同位置，通过触摸屏操作简单方便。

Description

经颅超声深部刺激实验装置

技术领域

本实用新型属于超声实验领域，涉及一种经颅超声深部刺激实验装置。

背景技术

神经调控技术近年来在神经科学研究和神经工程应用方面都得到了广泛的关注。神经调控是指采用光、电、磁、声、温度等机械物理性刺激和化学性刺激，作用于生物体神经系统(器官，组织，细胞，体液等)并引起反应的过程。调控效果根据神经的兴奋性增强或者神经的抑制性增强可分为两种。通过神经调控，有助于研究神经系统的构成关系和治疗神经系统疾病，同时也是研究人脑神经组成、相应动作、认知功能的一种有效手段。目前主要的神经调控手段有：电极深部脑刺激(DBS),经颅电刺激(TDCS)，经颅磁刺激(TMS)，经颅超声刺激(TUS),光遗传技术(Optogenetics)。

脉冲经颅超声刺激(pTUS)是一种很有发展前景的神经调控技术，近些年得到了越来越广泛的关注。具有非侵入性、高空间分辨率(<2mm)、高穿透深度等优点。脉冲超声作为一种机械压力波，可以通过颅骨传导，并且颅骨还能对超声进行聚焦，促进或抑制神经活动。1929年，使用超声对蛙神经和乌龟的肌肉进行了刺激，首次证明超声能够调节细胞活动。1958年，研究证明超声能够刺激到猫的侧向膝装神经核。2008年Tyler W.J.与他们的团队采用超声刺激海马切片，证明了超声刺激可以直接作用于神经元并引发动作电位，并促使钙，钠离子通道的改变。随后Tufail Y.等人在小鼠上使用超声刺激，刺激小鼠的运动皮层，观测到了明显的肢体及尾部肌肉活动。自此，超声刺激作为一种神经调控手段引起了广泛的关注。

但是，超声刺激的作用机制尚不明确。目前尚缺乏针对于离体大鼠颅骨和大脑的超声实验装置。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种经颅超声深部刺激实验装置。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种经颅超声深部刺激实验装置，包括触摸屏、控制器、水浸式点聚焦超声换能器、三维高精度位移平台；

所述水浸式点聚焦超声换能器包括双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器、探头声准直器及水侵式点聚焦超声探头；

所述触摸屏、控制器、双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器依次连接，所述探头声准直器设置在三维高精度位移平台上，所述水侵式点聚焦超声探头设置在探头声准直器内。

进一步，所述双通道任意波形发生器输出驱动信号频率范围1MHz-8MHz可调。

进一步，所述水浸式点聚焦超声换能器输出频率为1MHz，2.25MHz，3.5MHz，5MHz，7.5MHz，通过控制器设置；焦斑直径包括：1MHz探头焦斑直径小于5mm；5MHz探头焦斑直径小于0.9mm；8MHz探头焦斑直径小于0.5mm；焦点设置在被测物的下方；焦点处空间峰值时间平均声强值Ispta最大达到200mW/cm²；5种频率超声焦点直径均小于5mm，频率大于等于5MHz的超声焦点直径均小于1mm。

进一步，所述探头声准直器为装有水的锥形水囊。

进一步，包括箱体，所述控制器、双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器、三维高精度位移平台、探头声准直器及水侵式点聚焦超声探头均设置在箱体内，所述触摸屏设置在箱体外侧。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型可以有效对离体大鼠颅骨和离体大鼠脑组织进行超声刺激，通过三维高精度位移平台可以任意移动探头的位置，用于刺激动物颅骨不同位置，通过触摸屏操作简单方便。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实施例所述经颅超声深部刺激实验装置结构框图；

图2为本实施例所述经颅超声深部刺激实验装置的实验示意图；

图3为实施例的第一种双通道任意波形发生器模块功能示意图；

图4为实施例的第一种双通道任意波形发生器通道0输出的刺激波形序列；

图5为实施例的第一种双通道任意波形发生器输出的TTL的波形序列同步信号；

图6为实施例的第二种双通道任意波形发生器输出的波形序列信号；

图7为图6的同步信号1；

图8为图6的同步信号2；

图9为实施例的第二种双通道任意波形发生器模块功能示意图；

图10为实施例的第二种双通道任意波形发生器指令示意图。

附图标记：水浸式点聚焦超声换能器1、水箱2、离体大鼠颅骨3、离体大鼠脑组织4、焦点5。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1和图2，为一种经颅超声深部刺激实验装置，包括触摸屏、控制器、水浸式点聚焦超声换能器、三维高精度位移平台。

触摸屏用于人机交互，用于实验操作者设置和控制控制器的各种刺激参数。在本实施例中，触摸屏主要包括三部分，一是选择一种点聚焦探头，一共5种，设计成那种平板电脑一样划来划去得，每次显示一个，每次选择一个。第二部分选择声强，从下拉列表里面5种声强选择一个。第三部分就是设置刺激序列参数。全部设定完以后，点击“开始刺激”按钮，使控制器的串口输出一串指令。指令格式如下：

0x88 XX XX XX XX XX XX XX 99，包含9个字节的16进制数，第一个和最后一个字节0x88和0x99为握手信号。第二个字节0xXX用来表示选择的5种探头的一种；第三个字节0xXX表示设定的Z；第四个字节0xXX表示设定的T3；第五个字节0xXX表示设定的M；第六个字节0xXX表示设定的T5；第七个字节0xXX表示设定的N；第八个字节0xXX表示设定的V_PP。

点击“开始刺激”按钮之后，屏幕变灰色为禁止输入状态，然后等待下位机发来的结束指令，一旦收到下位机发来的结束指令，屏幕回到正常可选择输入状态，然后点击“开始按钮”又可输出新的指令。下位机发来的结束指令格式如下：0x66 77。为两字节的16进制数，分别为0x66 0x77。

控制器用来选择每次刺激需要的频率探头，选择每次刺激的空间峰值时间平均声强值(Ispta)，设定刺激序列参数，控制信号源输出设定强度和参数的刺激波形序列，从而使超声波探头输出对应强度和参数的超声声场，用于刺激实验动物大脑。在本实施例中，通过触摸屏控制控制器进行不同频率探头选择，选择空间峰值时间平均声强值(Ispta)选择(mW/cm²)，5档可调，40～200mW/cm²；刺激序列参数设置：基波周期数Z，调节范围1-60000；无基波时间T3：调节分辨率10us；单个Sti包含Pulse个数M：调节范围1-60000；相邻Sti间隔时间T5：调节分辨率1ms；刺激序列包含Sti个数N：调节范围1-60000；基波峰峰值VPP：调节分辨率1mVPP，调节范围0-5VPP。

水浸式点聚焦超声换能器1安装在水箱中，包括双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器、探头声准直器及水侵式点聚焦超声探头。

双通道任意波形发生器用于产生由控制软件设定的强度和参数的刺激波形序列，就是输出刺激序列波形，用于产生对应波形和强度的声场。如图2所示，H为换能器与被测物表面之间距离，大于15mm即可；被测物为离体大鼠颅骨3和离体大鼠脑组织4，被测物厚度S为30mm，只要保证焦点5在被测物下方即可，即焦距L>S+H。所有频率探头焦距均需满足该条件。本实施例中的参数包括：采样率高达250MSa/s，垂直分辨率16bits，每通道任意波存储深度16Mpts，±1ppm高频率稳定度，相噪低至-105dBc/Hz。正弦波输出频率范围1μHz至100MHz。输出幅度范围1.0mVpp至5.0Vpp。

在本实施例中，任意波形发生器模块如图3所示，包括单片机、FPGA、DDS和运放，带宽0.5MHz—10MHz。在通道0输出刺激波形序列，然后还要输出刺激波形序列的TTL同步信号，以及模拟的同步信号，以及驱动一个LED灯泡。通道0每次输出的波形序列参数由控制器通过串口发来。所以这个模块还需要串口通信接收控制器发来的参数指令。通道0输出的刺激波形序列如图4所示。通道0每次都按照参数指令输出一个刺激波形序列，时间为T6。一个波形序列包含N个单个刺激波形(Sti)，单个刺激波形周期为T4。相邻两个Sti之间间隔时间为T5的休息时间。因此一个刺激序列波形持续时间T6＝N×(T4+T5)。单个Sti波形如图4下部分图所示：包含M个脉冲(Pulse)，单个Pulse周期为T1。因此单个Sti周期T4＝M×T1。

单个Pulse周期T1包括基波持续时间T2和无基波时间T3。设基波持续时间T2包含Z个基波周期(T0)，则T2＝Z×T0。

因此单个Pulse周期T1＝Z×T0+T3。

单个Sti周期T4＝M×T1＝M×(Z×T0+T3)。

基波就是单频的正弦波，频率分为五种，1MHz，2.25MHz，3.5MHz，5MHz，7.5MHz。一个刺激波形序列只含有一种频率的基波。

基波峰峰值为V_PP，可调。

因此定义一个刺激序列波形需要的参数为：基波频率f(T0＝1/f)，单个Pulse包含的基波数量Z，单个Pulse无基波时间T3，单个Sti包含的Pulse数量M，相邻两个Sti间隔休息时间T5，Sti的个数N，以及基波幅度峰峰值V_PP。

因此一个刺激波形序列持续时间T6＝N×(T4+T5)＝N×(M×(Z×T0+T3)+T5)。

所有的参数由控制器通过串口发来，你们的模块接收到参数指令后马上在通道0输出对应的刺激波形序列，输出波形过程中不再接收新的指令，等上一次的波形序列输出结束再接收新的指令。

控制器发来的参数指令格式：0x88 XX XX XX XX XX XX XX 99，包含9个字节的16进制数，第一个和最后一个字节0x88和0x99为握手信号。第二个字节0xXX用来选择5种基波频率的一种；第三个字节0xXX设定基波数量Z；第四个字节0xXX设定无基波时间T3；第五个字节0xXX设定单个Sti包含的Pulse数量M；第六个字节0xXX设定相邻Sti间隔时间T5；第七个字节0xXX设定Sti数量N；第八个字节0xXX设定V_PP。

注意：T3和T5时间输出基波幅度为0。

除了在通道0输出刺激波形序列外，还要输出一路TTL的波形序列同步信号，如图5所示，在每个Sti的起始处输出一个上升沿，每个Sti结束时刻是下降沿。TTL同步信号和波形序列时间上绝对同步。还要输出一路模拟的同步信号(未画出)，和TTL同步信号波形一致，只不过是模拟信号，高电平1V。还要驱动一个LED，可以用模拟同步信号驱动一个LED，让LED在Sti时间内点亮，两个Sti间隔时间熄灭，就是Sti上升沿点亮，下降沿熄灭。

再另一实施例中，双通道任意波形发生器使用单片机串口接收控制器发来的指令，在单片机的IO口输出图6-图8所示的3路波形。一个波形序列包含N个相同的周期T0。T0＝TH+TL，低电平时间为TL。TH包含M个Tr周期。TH＝M×Tr。Tr的高电平时间固定为50us。Tr，M，TL，N四个参数可调，每次通过控制器发来。单片机只要按照这四个参数输出波形即可。需要注意的是每次只需输出一个波形序列即可(不是无限输出)，波形序列结束，对应IO引脚置为低电平。在另外IO口输出图7和图8所示的同步信号，图7和图8为图6的同步信号，上升沿跟图6第一个上升沿对齐。图7中高电平时间为TH，低电平时间为TL。图8中高电平时间跟图6中的波形序列持续时间相同。注意：这次不需要产生反信号了。

如图9所示，在PA0引脚产生图6波形，在PA1PA2都产生相同的图7波形，在PA6PA7都产生相同的图8波形，还是基于上次那个开发板设计，IO输出5V模式。

Tr范围：50us-65535us。M：1-65535。TL范围：1-65535ms。N范围：1-65535。

控制器通过串口发来的参数指令格式：0x88 XX XX XX XX XX XX XX XX 99，包含10个字节的16进制数。Tr，M，TL，N四个参数都用高低两字节十六进制数来表示。

Tr单位us；TL单位ms。对应如图10。此外，除了上述参数指令，还有一个握手指令0x88 88 88 88 88 99 99 99 99 99，当单片机接受到该指令后，返回0xDF单个字节指令。

此外，单片机每次序列时间结束时刻向控制器发送0xAF。

流程：单片机接收到参数指令之后马上输出对应参数的序列信号，信号结束马上发送0xAF指令。

功率放大器用于双通道任意波形发生器产生波形的功率较低，无法用来产生需求声强的超声声场，必须使用功率放大器将刺激序列波形的电压幅度放大，用于驱动超声探头产生更高强度的声场。在本实施例中，功率放大器的参数为：额定功率150W，带宽0.5-100MHz，输入信号幅度0-5VPP，功率稳定度：≤±0.5％，射频输出阻抗：50Ω，承受驻波比：VSWR≤2.0，信号输入功率：≥13dBm，信号输入阻抗：50Ω，带内不平坦度：＜2.0dB，二次及高次谐波输出：＜-40dB。

由于超声探头的输入阻抗和功率放大器的输出阻抗不能完全高精度匹配，如果不加阻抗匹配器，功率放大器输出的能量有很大一部分并不能输入到超声探头，使得功率转换效率大大降低，而且有可能不能达到要求的声强，阻抗匹配器的功能使得功率放大器的输出阻抗和超声探头的输入阻抗通过调节匹配，提高能量传输效率。本实施例中的阻抗匹配器频率范围：0.5～100MHz内任意固定频率点调控，最大射频传输功率：300W，可匹配阻抗范围：(2～100)Ω±j(0～250)Ω。

水侵式点聚焦超声探头用来产生点聚焦的超声波声场，直接用于刺激动物大脑，在本实施例中采用日本奥林巴斯点聚焦水侵式超声探头。1MHz探头：探头直径1in，焦距：3in，焦点直径4.44mm。2.25MHz探头：探头直径1in，焦距：3in，焦点直径1.97mm。3.5MHz探头：探头直径1in，焦距：3in，焦点直径1.27mm。5MHz探头：探头直径1in，焦距：3in，焦点直径0.89mm。7.5MHz探头：探头直径0.75in，焦距：3in，焦点直径0.85mm。

由于水侵式探头必须使用水或者超声耦合剂作为媒介，而动物刺激实验无法将探头和动物放在水中实验。因此必须要加入探头声准直器，在准直器中加入超声耦合剂，将超声声场引导到动物大脑内。本实施例中的探头声准直器直径1in和0.75in两种规格，高50mm，端口直径2mm。

将超声探头安装在三维高精度位移平台上，可以任意移动探头的位置，用于刺激动物颅骨不同位置。本实施例中，三维高精度位移平台的移动量程80mm，10um移动和定位精度，数显，可以装配不同类型夹持器，满足不同实验需求。水平方向360度、前后方向180度任意旋转，位置任意锁定，满足不同的定位需求。

在本实施例中，将所有模块集成到金属箱体中，达到电磁兼容的效果。箱体为铝合金外壳，外壳尺寸长*宽*高＝50cm*50cm*80cm，防屏蔽接地设计，220V供电。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种经颅超声深部刺激实验装置，其特征在于：包括触摸屏、控制器、水浸式点聚焦超声换能器、三维高精度位移平台；

2.根据权利要求1所述的经颅超声深部刺激实验装置，其特征在于：所述双通道任意波形发生器输出驱动信号频率范围1MHz-8MHz可调。

3.根据权利要求1所述的经颅超声深部刺激实验装置，其特征在于：所述水浸式点聚焦超声换能器输出频率为1MHz，2.25MHz，3.5MHz，5MHz，7.5MHz，通过控制器设置；焦斑直径包括：1MHz探头焦斑直径小于5mm；5MHz探头焦斑直径小于0.9mm；8MHz探头焦斑直径小于0.5mm；焦点设置在被测物的下方；焦点处空间峰值时间平均声强值Ispta最大达到200mW/cm²；5种频率超声焦点直径均小于5mm，频率大于等于5MHz的超声焦点直径均小于1mm。

4.根据权利要求1所述的经颅超声深部刺激实验装置，其特征在于：所述探头声准直器为装有水的锥形水囊。

5.根据权利要求1所述的经颅超声深部刺激实验装置，其特征在于：包括箱体，所述控制器、双通道任意波形发生器、功率放大器、阻抗匹配器、三维高精度位移平台、探头声准直器及水侵式点聚焦超声探头均设置在箱体内，所述触摸屏设置在箱体外侧。