一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)用無損測(cè)試技術(shù)，尤其是一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)顱超聲刺激是新近發(fā)展起來的一種大腦功能刺激技術(shù)，該技術(shù)透過完整的顱骨傳遞超聲能量，能無創(chuàng)傷地調(diào)制大腦的神經(jīng)活動(dòng)。經(jīng)顱超聲刺激技術(shù)是一種利用低強(qiáng)度聚焦超聲波作用于腦組織，對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生生物機(jī)械效應(yīng)，影響神經(jīng)電活動(dòng)，從而引起一系列生理生化反應(yīng)的腦調(diào)控技術(shù)。已知，超聲波具有很好的穿透性，它能穿透骨骼和軟組織甚至金屬結(jié)構(gòu)，因此超聲波在醫(yī)療與工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]當(dāng)前，藥物化學(xué)治療神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)人體有一定副作用。為了彌補(bǔ)藥物治療的不足，人們使用電、光、磁等物理療法對(duì)腦神經(jīng)進(jìn)行刺激。如深度腦刺激，雖然刺激目標(biāo)性強(qiáng)但要求對(duì)大腦植入電極，手術(shù)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。而經(jīng)顱磁刺激技術(shù)雖然能做到無侵性，提高了安全性，但卻存在刺激深度不夠與低空間分辨率等問題。
[0004]另外，現(xiàn)有技術(shù)中用于治療腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病的設(shè)備大部分都是開環(huán)設(shè)備，不能夠自動(dòng)預(yù)測(cè)腦電信號(hào)中的棘波節(jié)律的相位；也不能根據(jù)用戶的需求在所需時(shí)刻發(fā)出刺激信號(hào)，無法滿足現(xiàn)代醫(yī)療的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種操控方便、無損傷、高空間分辨率的閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明所述裝置包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、聚焦超聲換能器、微絲電極陣列、差分放大器、信號(hào)采集卡以及磁鐵；
[0007]其中，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與信號(hào)發(fā)生器的輸入端互通連接，計(jì)算機(jī)安裝有控制軟件，通過控制軟件控制信號(hào)發(fā)生器；信號(hào)發(fā)生器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與功率放大器輸入端連接，功率放大器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與聚焦超聲換能器的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)聚焦超聲換能器發(fā)出脈沖超聲波；在聚焦超聲換能器下方為工作區(qū)域，在工作區(qū)域兩側(cè)對(duì)稱安裝磁鐵，磁鐵形成靜磁場(chǎng)；微絲電極陣列的微絲電極置于聚焦超聲換能器下方的靜磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，微絲電極陣列的輸出端通過數(shù)據(jù)線與差分放大器的輸入端相連，差分放大器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與信號(hào)采集卡輸入端的A/D接口接通，信號(hào)采集卡的輸出端通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過控制軟件采集信號(hào)采集卡輸出的信號(hào)。
[0008]優(yōu)選地，所述計(jì)算機(jī)中的控制軟件為L(zhǎng)abview控制軟件，計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率范圍為1Hz?ΙΟΜΗζο
[0009]優(yōu)選地，所述信號(hào)采集卡為NI USB-6251數(shù)字信號(hào)采集卡，采樣頻率設(shè)置為20kHz ο
[0010]優(yōu)選地，所述差分放大器的濾波頻率為0.3Hz?5KHz，放大倍數(shù)為100倍。[0011 ] 優(yōu)選地，所述微絲電極陣列的微絲電極為鎳鉻合金電極。
[0012]優(yōu)選地，所述聚焦超聲換能器為DAPING-D10超聲換能器，直徑為3mm?15mm、焦長(zhǎng)5mm ?50mmo
[0013]優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)生器為NI PC1-5421信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)基波頻率為0.35MHz ?0.7MHzo
[0014]工作過程大致如下:
[0015]將微絲電極陣列的微絲電極固定在患者頭部，通過微絲電極采集患者頭部的神經(jīng)電信號(hào)，采集到的神經(jīng)電信號(hào)經(jīng)過差分放大器放大之后，再由信號(hào)采集卡的A/D 口采樣，信號(hào)采集卡將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷及預(yù)測(cè)過程后，根據(jù)用戶設(shè)置參數(shù)的要求，在即將到來的棘波節(jié)律的特征位置，經(jīng)信號(hào)發(fā)生器的I/O 口給出刺激信號(hào)，刺激信號(hào)經(jīng)過信號(hào)發(fā)生器的I/O 口、功率放大器、聚焦超聲換能器、靜磁場(chǎng)后，到達(dá)患者頭部，患者頭部中的神經(jīng)組織離子在靜磁場(chǎng)和脈沖超聲的共同作用下，發(fā)生移動(dòng)產(chǎn)生電流，進(jìn)而刺激神經(jīng)組織，誘發(fā)神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位，再經(jīng)微絲電極采集信號(hào)，計(jì)算機(jī)再次獲取患者頭部的神經(jīng)電信號(hào)，如此往復(fù)，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)患者進(jìn)行閉環(huán)式神經(jīng)刺激或腦調(diào)控。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、通過超聲波和磁場(chǎng)共同進(jìn)行神經(jīng)刺激，屬于無損傷神經(jīng)刺激方法，能夠刺激或抑制腦部神經(jīng)元活動(dòng)。
[0018]2、使用閉環(huán)式控制系統(tǒng)，能自動(dòng)預(yù)測(cè)腦電信號(hào)中的棘波節(jié)律的相位，檢測(cè)癲癇棘波。
[0019]3、可根據(jù)用戶的設(shè)置，在所需時(shí)刻發(fā)出刺激信號(hào)，為大腦神經(jīng)系統(tǒng)工作機(jī)理和作用機(jī)制的深入研究提供了有用的工具。
[0020]4、操作簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行精準(zhǔn)刺激，具有很高的空間分辨率。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]附圖標(biāo)號(hào):1-聚焦超聲換能器、2-磁鐵、3-功率放大器、4-信號(hào)發(fā)生器、5-微絲電極陣列、6-差分放大器、7-彳目號(hào)米集卡、8-計(jì)算機(jī)、9-樣品。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0024]如圖1所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖中，本發(fā)明所述裝置包括聚焦超聲換能器1、磁鐵2、功率放大器3、信號(hào)發(fā)生器4、微絲電極陣列5、差分放大器6、信號(hào)采集卡7、計(jì)算機(jī)8、樣品9，樣品為大鼠；
[0025]其中，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與信號(hào)發(fā)生器的輸入端互通連接，計(jì)算機(jī)安裝有控制軟件，通過控制軟件控制信號(hào)發(fā)生器；信號(hào)發(fā)生器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與功率放大器輸入端連接，功率放大器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與聚焦超聲換能器的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)聚焦超聲換能器發(fā)出脈沖超聲波；在聚焦超聲換能器下方為工作區(qū)域，在工作區(qū)域兩側(cè)對(duì)稱安裝磁鐵，磁鐵形成靜磁場(chǎng)；微絲電極陣列的微絲電極置于聚焦超聲換能器下方的靜磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，微絲電極陣列的輸出端通過數(shù)據(jù)線與差分放大器的輸入端相連，差分放大器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與信號(hào)采集卡輸入端的A/D接口接通，信號(hào)采集卡的輸出端通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過控制軟件采集信號(hào)采集卡輸出的信號(hào)。
[0026]所述計(jì)算機(jī)中的控制軟件為L(zhǎng)abview控制軟件，計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率范圍為1Hz ?ΙΟΜΗζο
[0027]所述信號(hào)采集卡為NI USB-6251數(shù)字信號(hào)采集卡，采樣頻率設(shè)置為20kHz。
[0028]所述差分放大器的濾波頻率為0.3Hz?5KHz，放大倍數(shù)為100倍。
[0029]所述微絲電極陣列的微絲電極為鎳鉻合金電極。
[0030]所述聚焦超聲換能器為DAPING-D10超聲換能器，直徑為3mm?15mm、焦長(zhǎng)5mm?50mmo
[0031]所述信號(hào)發(fā)生器為NI PC1-5421信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)基波頻率為0.35MHz ?0.7MHzo
[0032]本發(fā)明所述裝置的使用方法，以大鼠為樣品，包括以下操作步驟:
[0033](1)將微絲電極固定在大鼠頭部，將大鼠頭部放置在超聲換能器下面，置于磁鐵或者通直流電的線圈發(fā)出的靜磁場(chǎng)中，頭部接觸超聲換能器底部；
[0034](2)裝有Labview控制軟件的計(jì)算機(jī)發(fā)出的刺激信號(hào)經(jīng)過信號(hào)發(fā)生器后產(chǎn)生刺激信號(hào)，再經(jīng)功率放大器后，傳遞給超聲換能器，超聲換能器進(jìn)而發(fā)出脈沖超聲波；
[0035](3)超聲換能器發(fā)出的脈沖超聲波經(jīng)過超聲耦合介質(zhì)后，到達(dá)頭部，頭部中的神經(jīng)組織離子在靜磁場(chǎng)和脈沖超聲的共同作用下受到洛倫茲力，發(fā)生移動(dòng)產(chǎn)生電流，進(jìn)而刺激神經(jīng)組織，引起神經(jīng)生理變化；
[0036](4)微絲電極陣列采集到的頭部神經(jīng)電信號(hào)，傳遞給差分放大器，差分放大器進(jìn)而將神經(jīng)電信號(hào)放大，并傳輸給信號(hào)采集卡；
[0037](5)信號(hào)卡的A/D 口對(duì)神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行采樣，傳遞給帶有控制軟件的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集的神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)；
[0038](6)計(jì)算機(jī)對(duì)神經(jīng)電信號(hào)預(yù)測(cè)之后，根據(jù)用戶的要求，在即將到來的棘波節(jié)律的特征位置發(fā)出刺激信號(hào)；
[0039](7)計(jì)算機(jī)發(fā)出的刺激信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)發(fā)生器的I/O 口、功率放大器，傳遞到超聲換能器，超聲換能器產(chǎn)生發(fā)出脈沖超聲波；
[0040](8)超聲換能器產(chǎn)生的脈沖超聲波經(jīng)過超聲耦合介質(zhì)后，頭部中的神經(jīng)組織離子在靜磁場(chǎng)和脈沖超聲的共同作用下，發(fā)生移動(dòng)產(chǎn)生電流，進(jìn)而刺激神經(jīng)組織，引起神經(jīng)生理變化，從而誘發(fā)神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位。
[0041]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述裝置包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、聚焦超聲換能器、微絲電極陣列、差分放大器、信號(hào)采集卡以及磁鐵； 其中，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與信號(hào)發(fā)生器的輸入端互通連接，計(jì)算機(jī)安裝有控制軟件，通過控制軟件控制信號(hào)發(fā)生器；信號(hào)發(fā)生器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與功率放大器輸入端連接，功率放大器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與聚焦超聲換能器的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)聚焦超聲換能器發(fā)出脈沖超聲波；在聚焦超聲換能器下方為工作區(qū)域，在工作區(qū)域兩側(cè)對(duì)稱安裝磁鐵，磁鐵形成靜磁場(chǎng)；微絲電極陣列的微絲電極置于聚焦超聲換能器下方的靜磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，微絲電極陣列的輸出端通過數(shù)據(jù)線與差分放大器的輸入端相連，差分放大器的輸出端通過數(shù)據(jù)線與信號(hào)采集卡輸入端的A/D接口接通，信號(hào)采集卡的輸出端通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過控制軟件采集信號(hào)采集卡輸出的信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)中的控制軟件為L(zhǎng)abview控制軟件，計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率范圍為1Hz?10MHz。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述信號(hào)采集卡為NI USB-6251數(shù)字信號(hào)采集卡，采樣頻率設(shè)置為20kHz。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述差分放大器的濾波頻率為0.3Hz?5KHz，放大倍數(shù)為100倍。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述微絲電極陣列的微絲電極為鎳鉻合金電極。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述聚焦超聲換能器為DAPING-D10超聲換能器，直徑為3_?15_、焦長(zhǎng)5_?50_。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，其特征在于:所述信號(hào)發(fā)生器為NI PC1-5421信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)基波頻率為0.35MHz?0.7MHz。
【專利摘要】一種閉環(huán)式經(jīng)顱磁聲刺激裝置，包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、聚焦超聲換能器、微絲電極陣列、差分放大器、信號(hào)采集卡以及磁鐵。計(jì)算機(jī)與信號(hào)發(fā)生器通過數(shù)據(jù)線互通連接，信號(hào)發(fā)生器的輸出端與功率放大器輸入端通過數(shù)據(jù)線連接，功率放大器的輸出端與超聲換能器的信號(hào)輸入端通過數(shù)據(jù)線連接，微絲電極陣列的輸入端獲取腦神經(jīng)電信號(hào)，微絲電極陣列的輸出端與差分放大器輸入端通過數(shù)據(jù)線相連，差分放大器的輸出端與信號(hào)采集卡輸入端的A/D接口通過數(shù)據(jù)線接通，信號(hào)采集卡的輸出端與計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接。試驗(yàn)樣品置于超聲換能器下方，在試驗(yàn)樣品兩側(cè)設(shè)有磁鐵。本發(fā)明具有高空間分辨率、操作方便、刺激精準(zhǔn)、無損傷等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】A61N7/02, A61N2/08, A61B5/0476
【公開號(hào)】CN105251141
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510652383
【發(fā)明人】袁毅, 馬志濤, 王懷寶, 王紅
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年10月10日