一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置

本发明实施例涉及经颅磁声刺激技术，尤其涉及一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置。

背景技术：

神经电刺激技术现已被广泛应用于脑科学研究及脑部神经功能性疾病的研究与治疗。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。而有创式的脑深部电刺激技术则需要打开颅骨进行电极植入，手术和应用风险性高，也存在较大操作风险。

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与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，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全脑区毫米量级的经颅精准电刺激。

目前，现有实验装置中的磁场一般采用较小尺寸的永磁铁提供，此类装置的磁场强度不均匀，且磁场分布范围有限，仅适用于啮齿类小动物的经颅磁声刺激。

技术实现要素：

本发明提供一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置，以在较大空间内的稳恒磁场中进行经颅磁声刺激。

本发明实施例提供了一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置，其中包括：

超声波发射模块，用于向目标位置发射超声波波束；

管状电磁铁模块，包括管状电磁铁以及绕设于管状电磁铁上的线圈，管状电磁铁模块用于在目标位置构建磁场；

其中，目标位置位于管状电磁铁的内部，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。

进一步地，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角为90度。

进一步地，管状电磁铁模块还包括电磁铁供电电源，电磁铁供电电源用于向线圈供电。

进一步地，超声波发射模块包括聚焦超声换能器和脉冲超声激励源，脉冲超声激励源用于向聚焦超声换能器提供激励。

进一步地，管状电磁铁具有至少一个开口，沿管状电磁铁的径向方向，开口贯穿管状电磁铁；

脉冲超声激励源通过开口与聚焦超声换能器电连接。

进一步地，开口在设定平面上的截面形状包括扇形；设定平面与管状电磁铁的轴线方向垂直。

进一步地，开口包括第一开口，第一开口的圆心角α满足120°≤α≤240°。

进一步地，开口包括第二开口，第二开口包括至少两个子开口；

子开口的圆心角β满足60°≤β＜180°。

进一步地，管状电磁铁模块还包括至少两个电磁铁升降架，管状电磁铁固定于电磁铁升降架，电磁铁升降架用于调节管状电磁铁的高度。

进一步地，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；

脉冲超声激励源的激励通道与聚焦超声换能器的阵元一一对应。

本发明实施例通过超声波发射模块向目标位置发射超声波波束，管状电磁铁模块在目标位置构建磁场，以实现在脑内靶区进行聚焦声场和磁声电场的复合刺激。且由于管状电磁铁能够提供较大空间内的稳恒磁场，特别适用于灵长类大动物及人的经颅磁声刺激，为磁声刺激技术早日实现临床应用提供了可靠的实验装置。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种管状电磁铁开口的剖面示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种管状电磁铁开口的剖面示意图；

图4为本发明实施例提供的一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置的工作原理图；

附图说明：

1-管状电磁铁，2-开口，3-电磁铁供电电源，4-聚焦超声换能器。5-脉冲超声激励源。6-控制部，7-电磁铁升降架，8-三维换能器固定装置，9-被刺激对象固定装置

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。

本发明实施例提供了一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置，图1为本发明实施例提供的一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置的结构示意图，参见图1，其中包括：超声波发射模块，用于向目标位置发射超声波波束；管状电磁铁模块，包括管状电磁铁1以及绕设于管状电磁铁1上的线圈，管状电磁铁模块用于在目标位置构建磁场；其中，目标位置位于管状电磁铁1的内部，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。

超声波发射模块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的具体类型做出限定，且将在下文对超声波发射模块的具体实例做出描述。管状电磁铁模块可以是任何一种形状呈管状的电磁铁。优选的，管状电磁铁模块的形状呈圆管状。本发明实施例不针对管状电磁铁1的外形或参数做出限定，其具体外形或参数可根据实际需要确定。目标位置是磁场的磁感线与电磁波的交叉处，可以通过改变超声波发射模块和管状电磁铁模块的位姿来改变目标位置。管状电磁铁1的磁场与超声波产生磁声耦合以在脑部的目标位置形成电场。电场强度与电场方向为超声波与磁场的矢量积。因此，需确保超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角大于0度。优选的，超声波波束与磁场的磁感线在目标位置所成夹角为90度。这样可以获得最大电场强度，提高目标位置的电流大小。

在另一些实施例中，管状电磁铁模块还包括电磁铁供电电源3，电磁铁供电电源3用于向线圈供电。

其中，电磁铁供电电源3用于向管状电磁铁1的线圈提供电力，以使管状电磁铁1产生磁场。可选的，电磁铁供电电源3的输出电流大小可调。可以根据被刺激对象脑部大小和刺激深度等不同考虑刺激所需的电场强度，调整电磁铁供电电源3的输出电流大小，进而调整管状电磁铁1的磁场强度，用以准确控制磁声耦合电场的强度。

在另一些实施例中，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5，脉冲超声激励源5用于向聚焦超声换能器4提供激励。

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刺激深度进行频率选择。可选的，脉冲超声激励源5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。

在另一些实施例中，超声波发射模块还包括控制部6，控制部6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，当超声波发射模块包括相控阵聚焦超声换能器时，超声波发射模块还包括控制部6。控制部6可以是微型计算机或是工控机，脉冲超声激励源5的各个激励通道的激励参数由微型计算机或工控机控制。激励参数可以包括激励电压、激励脉宽以及激励频率等。通过微型计算机或工控机对每个激励通道的脉冲激励参数的调节，可以使换能器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5及微型计算机可以为verasonics超声开发平台。

在另一些实施例中，管状电磁铁1具有至少一个开口2，沿管状电磁铁1的径向方向，开口2贯穿管状电磁铁1；

脉冲超声激励源5通过开口2与聚焦超声换能器4电连接。

其中，管状电磁铁1开有开口2的地方没有线圈环绕。

在另一些实施例中，开口2在设定平面上的截面形状包括扇形；设定平面与管状电磁铁1的轴线方向垂直。

其中，在管状电磁铁1上设置横向开口2，有利于在管状电磁铁1内调节聚焦超声换能器4的位置，以实现灵活调节耦合电场的位置和方向。

可选的，开口2包括第一开口，第一开口的圆心角α满足120°≤α≤240°。其中优选的，如图2所示，开口2的圆心角α为180°。

可选的，开口2包括第二开口，第二开口包括至少两个子开口；子开口的圆心角β满足60°≤β＜180°。其中优选的，如图3所示，开口2包括三个子开口，每个子开口均为110°，且均匀分布在管状电磁铁1的设定平面上。

在另一些实施例中，管状电磁铁模块还包括至少两个电磁铁升降架7，管状电磁铁1固定于电磁铁升降架7，电磁铁升降架7用于调节管状电磁铁1的高度。

可以通过调节电磁铁升降架7调节管状电磁铁1的高度，以及通过调节电磁铁升降架7使管状电磁铁1与电磁铁升降架7的安装面平行。

可选的，超声波发射模块包括聚焦超声换能器4和三维换能器固定装置8，三维换能器固定装置8用于调节聚焦超声换能器4的三维空间位置。

通过调节三维换能器固定装置8，可以改变位于管状电磁铁1内的聚焦超声换能器4的位置，配合管状电磁铁高度的调节以及被刺激生物的位姿改变，可灵活改变复合场相对被刺激生物脑部的方向和位置。图4为本发明实施例提供的一种新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置的工作原理图。参见图4，图中v表示超声波波束，方向与超声声场方向一致；b为静磁场；通过超声波波束与静磁场间的磁声耦合得到的磁声耦合电场为e。

在另一些实施例中，新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置还包括被刺激对象固定装置9，用于固定被刺激对象。

其中，被刺激对象固定装置9可以仅包括头部固定装置；可以仅包括躯干固定装置；还可以同时包括头部固定装置和躯干固定装置。头部固定装置可以连接于躯干固定装置上。躯干固定装置可以是灵长类大动物固定台，也可以是座椅。

使用上述新型的基于管状电磁铁的经颅磁声刺激装置进行基于磁声耦合效应的无创脑深部刺激方法如下。

在对灵长类大动物进行刺激时，先将灵长类大动物(如食蟹猴)固定在灵长类大动物固定台上，并将猴子的头部固定在头部固定装置上，可以但不限于使用灵长类大动物脑立体定位仪实现。再升起管状电磁铁1，同时升起聚焦超声换能器4，并调整电磁铁和超声换能器的相对位置，确保猴子头部置于管状电磁铁1形成的磁场中，聚焦超声换能器4通过耦合剂可以接触到待测脑区所映射的头皮部位，通过微型计算机/工控机调整多通道脉冲超声激励源5的输出参数，使焦距和焦点位置满足猴子脑部靶区的条件，即可对猴子脑部靶区进行经颅磁声刺激。在刺激中，可以通过调整电磁铁供电电源3的电流大小可以实现不同强度的磁场，以适应不同刺激强度的需要。

在对人进行刺激时，先令人坐于座椅上，再将人头部固定在头部固定装置上，升起管状电磁铁1，同时升起聚焦超声换能器4，并调整电磁铁和超声换能器的相对位置，确保人头部置于管状电磁铁1形成的磁场中，聚焦超声换能器4通过耦合剂可以接触到待测脑区所映射的头皮部位，通过微型计算机/工控机调整多通道脉冲超声激励源5的输出参数，使焦距和焦点位置满足人脑部靶区的条件，即可对人脑部靶区进行经颅磁声刺激。在刺激中，可以通过调整电磁铁供电电源3的电流大小可以实现不同强度的磁场，以适应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。