一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置与方法

1.本发明涉及经颅刺激领域，特别是涉及一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置与方法。


背景技术：

2.经颅磁声耦合神经调控技术是一种新型的脑刺激技术，即利用磁场和超声波的耦合效应产生电场，进而对神经活动进行调控，不同于单纯电、磁、光、声调控手段，经颅磁声耦合神经调控是一种结合了声场与磁场的复合型神经刺激技术，借助低强度聚焦超声对大脑的高穿透深度与高聚焦性实现对神经组织的精准电调控。常见的经颅神经刺激如经颅直流电刺激、经颅磁刺激等，目前无法实现毫米级高分辨率聚焦而且难以达到对深部脑区刺激。经颅磁声耦合刺激兼具刺激聚焦性和刺激深度的优势，因经颅磁声耦合刺激中聚焦电场的电场强度由聚焦点处的超声声压和静磁场的磁感应强度共同决定，经颅磁声技术中的磁声耦合聚焦磁场强度较低。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置与方法，用于实现高空间分辨率的脑部无创电刺激。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置，所述刺激装置包括：
6.超声聚焦模块，用于发射和调节聚焦超声波；
7.刺激对象固定模块，用于固定刺激对象；
8.刺激电流检测模块，用于实时监控聚焦点处的电流密度；
9.控制模块，与所述超声聚焦模块、所述刺激对象固定模块以及所述刺激电流检测模块连接，用于控制所述超声聚焦模块的超声发射和波形的输出，还用于控制刺激对象的多方位移动，还用于控制刺激电流检测模块的实时检测与电流密度重构。
10.可选的，所述超声聚焦模块包括：
11.环形相控阵列，用于发射聚焦超声波；
12.超声发射和接收子系统，与所述环形相控阵列连接，用于调节所述聚焦超声波的波形。
13.可选的，所述刺激对象固定模块包括：
14.大鼠固定架，用于固定实验鼠；
15.三维控制子系统，与所述大鼠固定架连接，用于对所述大鼠固定架进行三维控制。
16.可选的，所述刺激电流检测模块包括：
17.检测线圈，用于接收动生电流产生的感应电场信号；
18.信号处理子系统，与所述检测线圈连接，用于基于所述感应电场信号确定监控聚焦点处的电流密度。
19.基于本发明中的上述方法，本发明另外提供一种聚焦经颅磁声耦合刺激方法，所
述刺激方法包括：
20.获取磁矢位、电标位和涡流密度；
21.将所述磁矢位、所述电标位以及所述涡流密度进行时空分离，得到电场标量电位的空间分量满足的泊松方程；
22.基于所述泊松方程确定互易过程的感应电流密度的空间分量方程；
23.对所述空间分量方程进行求解，得到特定脑区靶点处的电流密度。
24.可选的，所述泊松方程的表达式如下：
[0025][0026]
表示散度算符，分别表示磁矢位电标位u2(r,t)的空间分量。
[0027]
可选的，互易过程的感应电流密度的空间分量方程的表达式如下：
[0028][0029]
其中，σ为特定脑区靶点的电导率。
[0030]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0031]
本发明提供了一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置，所述刺激装置包括：超声聚焦模块，用于发射和调节聚焦超声波；刺激对象固定模块，用于固定刺激对象；刺激电流检测模块，用于实时监控聚焦点处的电流密度；控制模块，与所述超声聚焦模块、所述刺激对象固定模块以及所述刺激电流检测模块连接，用于控制所述超声聚焦模块的超声发射和波形的输出，还用于控制刺激对象的多方位移动，还用于控制刺激电流检测模块的实时检测与电流密度重构，本发明中的装置通过设置上述模块，能够实现高空间分辨率的脑部无创刺激。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明实施例一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置结构示意图。
[0034]
符号说明：
[0035]
1-静态磁场；2环形相控阵；3-大鼠固定架；4-三维控制子系统；5-计算机控制子系统；6-检测线圈；7-信号处理子系统；8-超声发射与接收子系统。
具体实施方式
[0036]
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做出创造性劳动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。
[0037]
本发明的目的是提供一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置与方法，用于实现高空间分辨率的脑部无创电刺激。
[0038]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0039]
本发明经颅磁声耦合刺激原理为：将被刺激对象置于静态磁场1中，由环形相控阵2发射的聚焦超声超声波与静态磁场1共同作用于刺激对象，利用环形相控阵2的同心聚焦特性，在中心点上具有聚焦能力优异、旁瓣低的优势，实现被刺激对象的特定脑区靶点的聚焦刺激，同时利用检测线圈6接收聚焦超声和静态磁场1共同作用区域的动生电刺激产生的感应电信号，实现聚焦点处动生电流信号的实时监控。该方法的突出优势在于：第一，刺激的静态磁场1可以是halbach磁体或u型的永磁体，也可以是磁共振超导磁体，磁共振超导磁体磁场强度1.5t，3t或者9.4t都可以；第二，利用检测线圈6实现聚焦经颅磁声耦合刺激的刺激电流和刺激位置的实时监控；第三，采用环形相控阵2的固有聚焦特性实现聚焦磁声耦合刺激，为实现不同特定位置刺激，利用三维控制子系统4控制刺激对象的固定位置，实现不同特定位置刺激，本发明中的环形相控阵2具有无磁性，可以直接应用于磁共振静态磁场1内，与磁共振系统兼容，易于实现检测成像与刺激治疗的一体化。以下结合附图对本发明中的上述装置和方案进行详细介绍：
[0040]
图1为本发明实施例一种聚焦经颅磁声耦合刺激装置结构示意图，如图1所示，所述装置包括：超声聚焦模块、刺激对象固定模块、刺激电流检测模块以及控制模块；
[0041]
控制模块主要是指计算机控制子系统5，其作用是控制超声聚焦模块的超声发射和波形的输出、控制刺激对象的多方位移动、控制刺激电流检测模块的实时检测与电流密度重构，因此控制模块连接超声聚焦模块、刺激对象固定模块和刺激电流检测模块。
[0042]
超声聚焦模块包括环形相控阵2和超声发射与接收子系统8，所述的超声聚焦模块利用了环形相控阵2的固有聚焦特性，环形相控阵2的单阵元尺寸可以根据刺激目标的大小和聚焦焦斑自主设定，单阵元的频率范围在0.5mhz-5mhz范围内，焦距50mm-200mm范围内，环形阵发射的波形由超声发射与接收子系统8在计算机控制子系统5的控制下进行调节，波形可以是准连续脉冲串，也可以是单脉冲，幅值1-200v可调。所述的环形相控阵2发射的超声波的方向与静态磁场1正交，所述的超声聚焦模块与刺激对象固定模块之间通过超声耦合剂耦合，耦合剂可以是固态耦合剂也可以是液态耦合剂。
[0043]
刺激对象固定模块包括大鼠固定架3和三维控制子系统4，本发明中以大鼠经颅刺激为实施方式进行描述，该模块的作用是实现位于大鼠固定架上的大鼠任意脑区的精准刺激，本技术中环形相控阵的聚焦靶点已经确定，因为为实现任意脑区的精准刺激，则是在大鼠脑区定位谱图的指导下由三维控制子系统4在计算机控制子系统5的控制下实现大鼠固定架3的三维控制，所述的刺激对象比如大鼠首先要固定在大鼠固定架3的中心位置处，并保证大鼠固定架3在移动的同时，被刺激对象大鼠与大鼠固定架3之间的位置保持不变，大鼠固定架3上的被刺激对象大鼠与环形相控阵2之间通过耦合剂进行耦合。
[0044]
刺激的静态磁场1可以由halbach磁体或u型的永磁体提供，也可以由磁共振超导磁体提供，磁共振超导磁体磁场强度1.5t，3t或者9.4t都可以。刺激对象置于静态磁场1和环形相控阵2中，静态磁场1与环形相控阵2发射的超声波正交。
[0045]
刺激电流检测模块包括检测线圈6和信号处理子系统7，首先在环形相控阵2和静态磁场1的耦合刺激下，检测线圈6接收动生电流产生的感应电场信号，接收的感应电场信号通过电导率反演算法直接获取刺激对象特定脑区靶点电流密度，实时监控电流密度的方法如下：
[0046]
互易电流密度正问题求解时，把线圈通入电流在周围空间产生的磁场称为一次磁场，而在刺激对象中感应涡流激励的空间磁场称为二次磁场，针对生物组织，二次磁场远远小于一次磁场，可以忽略，根据法拉第电磁感应定律，涡旋电场可近似表示为：
[0047][0048]
其中，表示算符，e2表示涡旋电场强度，μ表示刺激对象的磁导率，t表示时间，h表示线圈中外加电流在真空中产生的一次磁场，针对生物组织，可以表示为空间中总的磁场强度，根据安培环路定律，h可表示为：
[0049][0050]je2
表示电流密度，根据电流连续性定理，并将磁矢位、电标位和涡电流密度进行时空分离，得到电场标量电位的空间分量满足的泊松方程
[0051][0052]
其中是散度算符，分别表示磁矢位电标位u2(r,t)的空间分量，则互易过程的感应电流密度的空间分量可以表示为：
[0053][0054]
在互易电流密度逆问题求解时，利用公式(4)中计算的电标位空间分量对其离散，利用有限差分对初始电导率进行反复迭代得到特定脑区靶点的电导率σ，进一步由电导率和静态磁场1得到特定脑区靶点处的电流密度。
[0055]
当该经颅聚焦磁声耦合刺激装置在磁共振磁体内进行时，可以利用磁共振电特性成像方法直接实现对特定脑区靶点的电流密度监控，其中一种实现方法如下：
[0056]
首先结合刺激对象获取磁共振射频场的横向磁场强度分量h
x
和hy，然后建立射频场磁场强度和被测特定脑区靶点的总电流密度的微分方程，并通过引入矢量函数，建立射频场磁场强度和总电流密度的积分弱形式，同时利用磁场强度的散度为零的条件，通过双变分方式获取特定脑区靶点的总电流密度。该方法不需要额外检测线圈接收被测特定脑区靶点的感应电场，直接利用核磁共振成像方法b1-mapping成像技术实测到h
x
和hy分量后，结合高斯磁通定理和安培定律，先建立全电流密度的纵向分量，分别基于磁场强度的两个横向分量的双变分，获得特定脑区靶点的电流密度分布，实现刺激与检测成像的实时性，并简化了系统。
[0057]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0058]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。