一种基于超声驱动压电材料的无线神经调控系统及方法

本发明属于神经调控，具体涉及一种基于超声驱动压电材料的无线神经调控系统及方法。

背景技术：

1、神经调控是利用电、磁、光、超声等物理性或腺相关病毒、化合物等化学性手段改变神经系统信号传递，调节神经元及其所在神经网络活性，最终引起特定脑功能改变的生物医学工程技术。借助不同的刺激手段，神经调控不但可以引发神经系统快速的、局部的功能改变，也可以诱导持续的、全面的神经网络和神经环路连接改变，促进神经元可塑性以及神经环路重塑。因此，神经调控技术既是解析脑功能的重要工具，又是治疗神经系统疾病的有效手段。

2、目前，神经调控技术广泛应用在功能假体、临床治疗和基础研究等方面。根据调控设备对机体的侵入程度，神经调控技术可分为侵入性和非侵入性两类。

3、常用的侵入性神经调控技术主要包括深部脑刺激(dbs)、脊髓电刺激(scs)和侵入式迷走神经电刺激(ivns)、骶神经电刺激(sns)；非侵入性技术主要包括经颅磁刺激(tms)、经颅直流/交流电刺激(tdcs/tacs)、经皮迷走神经刺激(tvns)、经皮神经电刺激(tens)以及经颅超声波刺激(tus)和光刺激等。整体来看，侵入性技术主要借助电刺激手段，均属于依靠电能的有源医疗器械，通常由微电极、导线和脉冲发射器(即电池)三部分组成；以dbs为例，通常治疗帕金森症状，需要手术暴露相应的功能脑区或神经丛以植入电极，而电极释放的微电流刺激依赖于同时植入的电池和导线；其电池使用寿命有限，平均5-9年即需手术更换；以上因素使得侵入性技术的手术过程复杂、创伤面积大，术后感染率高和并发症多，治疗成本高昂、适用群体有限。

4、虽然非侵入性技术使用的刺激手段更加多样且具有无创优势，但该技术的空间分辨率普遍较低(厘米级)，且部分刺激设备庞大无法便携；以电、磁刺激为例，经过皮肤或颅骨传导，刺激能量存在极大损耗、难以刺激大脑皮层下组织，实际作用范围无法精确判别、治疗效果不稳定；即便是新近发展的经颅聚焦超声调控技术，更有更强的组织穿透性和更高空间分辨率(约数毫米)，但其刺激位点准确性、刺激参数和治疗效果、作用机制和安全性仍有待研究。

5、综上所述，目前电刺激手段是主流的神经调控刺激手段，植入式神经电刺激器存在结构复杂、缺少可靠能量供给的技术问题，非植入式神经刺激存在调控位置不精确、效果不稳定，且依赖大型有线设备无法便携使用等技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述所存在的技术问题，提高一种具有自供电、损伤小且可以实现多靶点刺激的便携设备，为此，本发明提供了一种基于超声驱动压电材料的无线神经调控系统及方法。

2、所述具体方案如下：

3、一方面，本发明提供了一种基于超声驱动压电材料的无线神经调控系统，所述系统包括：

4、超声模块，用于产生可调节参数的超声波信号，并引导超声波信号的刺激方向和位置；

5、压电刺激模块，其为微型的生物相容性压电材料，用于植入待测对象的中枢或外周神经区域，所述超声模块设置于待测对象体外，其产生的超声波刺激通过所述换能器直接作用到所述压电刺激模块上；所述压电刺激模块与所述超声模块之间建立有超声波刺激参数与诱发压电材料放电响应间的映射关系。

6、优选地，所述超声模块所产生的超声波刺激方向与所述压电模块保持垂直设置。

7、优选地，所述超声模块包括超声发生器、示波器、功率放大器和换能器，所述超声发生器用于产生可调参的超声波信号，所述示波器与所述超声发生器连接，用于显示超声波波形，所述功率放大器与所述超声发生器连接，用于对所述超声发生器产生的超声波信号进行放大，所述换能器与所述功率放大器连接，用于引导超声波的刺激方向和位置。

8、进一步优选地，所述超声发生器所产生的超声波刺激频率＜0.65mhz，声强＜500mw/cm2，所述换能器的中心频率为0.5mhz。

9、所述压电刺激模块包括一块或多块微型的生物相容性压电材料，其大小与待植入的一个或多个目标神经刺激区域大小相适配，所述超声模块所产生的超声波刺激作用于一个或同时作用于多个植入目标神经刺激区域中的所述压电材料上。

10、进一步地，所述系统中还包括数据采集模块和处理模块，所述数据采集模块为电生理信号采集装置，用于提取调控后所述压电刺激模块所诱发的神经电生理信号，所述处理模块中内嵌有信号分析算法，用于自动进行电刺激特征的监控和神经特征的提取。

11、另一方面，本发明还提供了一种基于超声驱动压电材料的无线神经调控方法，所述方法包括：

12、步骤1，利用超声波改变压电材料产生电信号的属性，建立超声模块与压电刺激模块之间超声波刺激参数与诱发压电材料放电响应间的映射关系；

13、步骤2，通过微创手术将压电刺激模块植入目标神经刺激区域，在目标神经刺激区域的外部通过调节超声模块的超声波刺激参数对目标神经刺激区域的神经系统进行调控；

14、步骤3，根据调控目的及步骤1中所建立的映射关系，通过改变超声模块的超声信号特征对压电刺激模块的放电响应做出调节。

15、所述方法还包括：

16、步骤4，同步采集目标神经刺激区域所产生的电生理信号和机体行为数据，并自动进行电刺激特征的监控和神经特征的提取。

17、对生物相容性压电材料进行超声响应的测试后，所述步骤1中建立超声参数、超声模块与压电材料之间距离和角度对超声波刺激诱发压电材料的放电响应间的映射关系。

18、所述步骤2中，将压电刺激模块植入一个或多个目标神经刺激区域，通过超声模块对一个压电刺激模块或同步对多个压电刺激模块执行超声波刺激后产生放电响应。

19、所述的超声波刺激参数与诱发压电材料放电响应间的映射关系符合如下公式：v＝i×dij×t/a；

20、其中v—压电材料的输出电压，

21、i—超声波声强，

22、dij—压电材料的压电常数，

23、t—压电材料厚度，

24、a—压电材料截面积，

25、并在此基础上考虑距离和频率等因素的干扰。

26、本发明技术方案具有如下优点：

27、a.本发明利用体外的超声模块对植入体内神经刺激区域的压电材料施加超声波刺激，超声波具有良好的组织穿透力和聚焦性，利用超声波这种非接触的能量源和压电材料的压电效应相结合，采用植入神经刺激区域的微型化、生物相容性压电材料，能够良好解决植入刺激压电材料的供电问题、精准调控神经刺激区域和设备便携化问题。

28、b.本发明在微创前提下，在体外利用超声波驱动植入体内的压电材料放电，将超声模块所产生的机械能转化成压电材料的电能，使压电材料具有自供电的特点，从而对神经刺激区域产生可控的神经电刺激信号；本发明以无线通讯方式实现对中枢和外周神经系统精准调控的方法，与传统神经调控方式相比，本发明具有空间分辨率高，不仅可以对单个靶点进行精准刺激调控，还可以实现多靶点(如多个脑区)的同步刺激，实现对神经系统精准且高效的刺激调控，并进一步摆脱有线调控手段的局限性，因此适用群体更为广泛，且简单易行。

29、c.本发明既可以实现中枢神经系统的调控(如大脑皮层、深部脑区和脊髓背角等)，也可以实现外周神经系统的调控(如神经节、神经丛、肌肉等)，具有损伤小、设备便携等优点。