本发明涉及一种电刺激的装置。特别是涉及一种结合高强度静磁场和两个不同频率的超声换能器进行无创生物电刺激的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置及方法。
背景技术：
大脑神经功能是当今科学研究最前沿的内容。其中精确定位的电刺激技术，更是脑科学研究的难点。目前，传统的电刺激技术有经颅磁刺激、经颅电刺激、植入式电刺激等，其中因为经颅磁刺激技术产生的磁场随传播距离三次方衰减，不适用于深部脑组织。经颅电刺激聚焦型较差，而植入式电刺激需要打开颅骨进行测量，对被试伤害较大，不适用于对人体进行的科学研究。因脑组织对低频信号较为敏感，超声频率在兆赫兹量级，所以使用超声刺激脑组织，无法达到理想频率。
根据霍尔效应，在电磁场中运动的导电物体会产生电荷分离现象，进而产生霍尔电压，两个超声换能器产生的霍尔电压频率不同，叠加产生低频电压，能够用于深部(也可用于皮层)生物脑组织无创聚焦电刺激。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于对大脑神经功能进行研究的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置，包括有用于为样本提供静磁场的n极电磁铁和s极电磁铁，为n极电磁铁和s极电磁铁提供电源的电源模块，还设置有位于样本旁的用于检测磁场强度的特斯拉计，用于固定在样本上的第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器，以及为第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器提供激励信号的超声脉冲发射器。
所述的第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器聚焦于相同位置即样本的刺激位置。
所述的超声脉冲发射器供给第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的信号频率不同。
所述的第一聚焦式超声换能器与样本之间以及第二聚焦式超声换能器与样本之间均设置有声耦合剂。
所述的声耦合剂为水或绝缘油或琼脂。
一种用于基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置的方法，包括如下步骤：
1)按照电磁场的方向摆放待刺激样本，使待刺激样本所需要的电刺激方向与电磁场方向垂直，并将待刺激样本固定；
2)将第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器分别固定于待刺激样本头部；
3)对待刺激样本施加磁场；
4)超声脉冲发射器通过第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器对待刺激样本分别施加激励超声信号；
5)通过调整第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的聚焦位置，来达到控制激励超声信号的聚焦位置；
6)通过调整第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的超声传播方向，来控制待刺激样本的电刺激方向；
7)通过调整第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的激励强度和施加磁场的大小，来改变电刺激的强度。
步骤2)所述的第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器，是根据待刺激样本需要进行电刺激区域的大小和位置的要求，确定所需第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的焦斑和焦距，所需电刺激的频率范围在第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的频带范围内。
步骤4)所述的激励超声信号，是在第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器分别与样本之间加上耦合剂，使用超声脉冲发射器激励第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器发出超声信号，并将超声信号打入待刺激样本头部。
所述的耦合剂是水或绝缘油或琼脂。
本发明的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置及方法，由于通过差频超声和静磁场产生的低频电场进行电刺激，可以实现精确定位的深部的电刺激。是一种无创电刺激装置，为脑科学的大脑神经功能科研领域提供一种新的装置及方法。
附图说明
图1是本发明基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置的结构示意图。
图中
1：电源模2：n极电磁铁和s极电磁铁
3：特斯拉计4：样本
5：超声脉冲发射器6：第一聚焦式超声换能器
7：第二聚焦式超声换能器8：声耦合剂
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置及方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置，用于为样本4提供静磁场的n极电磁铁和s极电磁铁2，为n极电磁铁和s极电磁铁2提供电源的电源模块1，还设置有位于样本4旁的用于检测磁场强度的特斯拉计3，用于固定在样本4上的第一聚焦式超声换能器6和第二聚焦式超声换能器7，以及为第一聚焦式超声换能器6和第二聚焦式超声换能器7提供激励信号的超声脉冲发射器5。所述的第一聚焦式超声换能器6与样本4之间以及第二聚焦式超声换能器7与样本4之间均设置有声耦合剂8，所述的声耦合剂(8)为水或绝缘油或琼脂。其中，所述的第一聚焦式超声换能器6和第二聚焦式超声换能器7聚焦于相同位置即样本4的刺激位置。所述的超声脉冲发射器5供给第一聚焦式超声换能器6和第二聚焦式超声换能器7的信号频率不同。
本发明的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置中，所述的n极电磁铁和s极电磁铁2产生的磁场磁感线方向(如图1中z轴方向)与所述的超声激励信号的传播方向垂直。使待刺激样本所需要的电刺激方向与电磁场方向垂直。需要根据电刺激的方向确定样本摆放方向。
本发明的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置中：
所述的超声脉冲发射器5，用于产生超声激励信号，驱动聚焦型超声换能器，能调节输出超声激励信号的频率和幅度等参数，超声脉冲发射器5可采用但不限于美国panametrics5072pr实现；
所述的第一聚焦式超声换能器6和第二聚焦式超声换能器7，用于将激励电信号转换为超声信号，可以采用但不限于单振源声换能器如美国panametrics的v303su或美国panametrics的v301实现；
所述的声耦合剂14，置于第一聚焦式超声换能器6和第二聚焦式超声换能器7和样本4之间，用于将聚焦型超声换能器产生的超声信号耦合到待刺激样本4上，减小超声信号的衰减，所述声耦合剂14可以采用但不限于深圳ourabo的m-250a超声耦合剂或深圳mibo的m-200pa耦合剂实现。
所述的电源1，用于输出电流，所述电源1可以采用但不限于北京国电亚光hy-17电源或者长春英普xd-30k电源；
所述的n极电磁铁和s极电磁铁2，设置于样本4上方，连接电源1用于根据不同的供电电流，产生不同磁感应强度的磁场作用于样本上，所述电磁铁2可采用但不限于长春英普sbv-300或sbv-380；
所述的特斯拉计3，设置在n极电磁铁和s极电磁铁2的一侧，用于实现磁场的检测，实时显示磁场的磁感应强度，所述特斯拉计3可采用但不限于美国lakeshore475，或青岛中宇环泰931。
本发明的基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置，是一种结合高强度静磁场和两个不同频率的聚焦型超声换能器所进行的无创生物电刺激装置，是将待刺激样本头部固定于如图1所示的静磁场中，将两个聚焦型超声换能器固定于样本头部，并使两个聚焦型超声换能器聚焦于待刺激样本大脑刺激部位；因为霍尔效应，聚焦型超声换能器产生的超声波在磁场下会产生相应强度和频率的电场，两个聚焦型超声换能器产生的不同频率电场，在聚焦位置产生一个低频的差频电场，所述差频电场为有效的用于刺激大脑神经的电场。本发明，由于通过两个聚焦型超声换能器和静磁场产生的差频电场进行电刺激，可以实现精确定位的深部大电刺激。
本发明的用于基于差频超声和逆磁声耦合技术的电刺激装置的方法，包括如下步骤：
1)按照电磁场的方向摆放待刺激样本，使待刺激样本所需要的电刺激方向与电磁场方向垂直，并将待刺激样本固定；
2)将第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器分别固定于待刺激样本头部；
所述的第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器，是根据待刺激样本需要进行电刺激区域的大小和位置的要求，确定所需第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的焦斑和焦距，所需电刺激的频率范围在第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的频带范围内。
3)对待刺激样本施加磁场；
4)超声脉冲发射器通过第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器对待刺激样本分别施加激励超声信号，如所述激励超声信号的频率可以分别为1mhz和1.05mhz，以产生50khz差频超声信号用以刺激大脑组织；
所述的分别施加激励超声信号，是通过两个聚焦型超声换能器在聚焦点叠加产生的低频电信号对样本进行电刺激。所述的激励超声信号，是在第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器分别与样本之间加上耦合剂，所述的耦合剂是水或绝缘油或琼脂，使用超声脉冲发射器激励第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器发出超声信号，并将超声信号打入待刺激样本头部。
5)通过调整第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的聚焦位置，来达到控制激励超声信号的聚焦位置；
6)通过调整第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的超声传播方向，来控制待刺激样本的电刺激方向；
7)通过调整第一聚焦式超声换能器和第二聚焦式超声换能器的激励强度和施加磁场的大小，来改变电刺激的强度。