本發(fā)明涉及一種電刺激的裝置。特別是涉及一種結(jié)合高強度靜磁場和兩個不同頻率的超聲換能器進行無創(chuàng)生物電刺激的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置及方法。

背景技術(shù)：

大腦神經(jīng)功能是當今科學研究最前沿的內(nèi)容。其中精確定位的電刺激技術(shù)，更是腦科學研究的難點。目前，傳統(tǒng)的電刺激技術(shù)有經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱電刺激、植入式電刺激等，其中因為經(jīng)顱磁刺激技術(shù)產(chǎn)生的磁場隨傳播距離三次方衰減，不適用于深部腦組織。經(jīng)顱電刺激聚焦型較差，而植入式電刺激需要打開顱骨進行測量，對被試傷害較大，不適用于對人體進行的科學研究。因腦組織對低頻信號較為敏感，超聲頻率在兆赫茲量級，所以使用超聲刺激腦組織，無法達到理想頻率。

根據(jù)霍爾效應，在電磁場中運動的導電物體會產(chǎn)生電荷分離現(xiàn)象，進而產(chǎn)生霍爾電壓，兩個超聲換能器產(chǎn)生的霍爾電壓頻率不同，疊加產(chǎn)生低頻電壓，能夠用于深部(也可用于皮層)生物腦組織無創(chuàng)聚焦電刺激。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于對大腦神經(jīng)功能進行研究的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置及方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置，包括有用于為樣本提供靜磁場的n極電磁鐵和s極電磁鐵，為n極電磁鐵和s極電磁鐵提供電源的電源模塊，還設(shè)置有位于樣本旁的用于檢測磁場強度的特斯拉計，用于固定在樣本上的第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器，以及為第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器提供激勵信號的超聲脈沖發(fā)射器。

所述的第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器聚焦于相同位置即樣本的刺激位置。

所述的超聲脈沖發(fā)射器供給第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的信號頻率不同。

所述的第一聚焦式超聲換能器與樣本之間以及第二聚焦式超聲換能器與樣本之間均設(shè)置有聲耦合劑。

所述的聲耦合劑為水或絕緣油或瓊脂。

一種用于基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置的方法，包括如下步驟：

1)按照電磁場的方向擺放待刺激樣本，使待刺激樣本所需要的電刺激方向與電磁場方向垂直，并將待刺激樣本固定；

2)將第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器分別固定于待刺激樣本頭部；

3)對待刺激樣本施加磁場；

4)超聲脈沖發(fā)射器通過第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器對待刺激樣本分別施加激勵超聲信號；

5)通過調(diào)整第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的聚焦位置，來達到控制激勵超聲信號的聚焦位置；

6)通過調(diào)整第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的超聲傳播方向，來控制待刺激樣本的電刺激方向；

7)通過調(diào)整第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的激勵強度和施加磁場的大小，來改變電刺激的強度。

步驟2)所述的第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器，是根據(jù)待刺激樣本需要進行電刺激區(qū)域的大小和位置的要求，確定所需第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的焦斑和焦距，所需電刺激的頻率范圍在第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的頻帶范圍內(nèi)。

步驟4)所述的激勵超聲信號，是在第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器分別與樣本之間加上耦合劑，使用超聲脈沖發(fā)射器激勵第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器發(fā)出超聲信號，并將超聲信號打入待刺激樣本頭部。

所述的耦合劑是水或絕緣油或瓊脂。

本發(fā)明的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置及方法，由于通過差頻超聲和靜磁場產(chǎn)生的低頻電場進行電刺激，可以實現(xiàn)精確定位的深部的電刺激。是一種無創(chuàng)電刺激裝置，為腦科學的大腦神經(jīng)功能科研領(lǐng)域提供一種新的裝置及方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中

1：電源模2：n極電磁鐵和s極電磁鐵

3：特斯拉計4：樣本

5：超聲脈沖發(fā)射器6：第一聚焦式超聲換能器

7：第二聚焦式超聲換能器8：聲耦合劑

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置及方法做出詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置，用于為樣本4提供靜磁場的n極電磁鐵和s極電磁鐵2，為n極電磁鐵和s極電磁鐵2提供電源的電源模塊1，還設(shè)置有位于樣本4旁的用于檢測磁場強度的特斯拉計3，用于固定在樣本4上的第一聚焦式超聲換能器6和第二聚焦式超聲換能器7，以及為第一聚焦式超聲換能器6和第二聚焦式超聲換能器7提供激勵信號的超聲脈沖發(fā)射器5。所述的第一聚焦式超聲換能器6與樣本4之間以及第二聚焦式超聲換能器7與樣本4之間均設(shè)置有聲耦合劑8，所述的聲耦合劑(8)為水或絕緣油或瓊脂。其中，所述的第一聚焦式超聲換能器6和第二聚焦式超聲換能器7聚焦于相同位置即樣本4的刺激位置。所述的超聲脈沖發(fā)射器5供給第一聚焦式超聲換能器6和第二聚焦式超聲換能器7的信號頻率不同。

本發(fā)明的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置中，所述的n極電磁鐵和s極電磁鐵2產(chǎn)生的磁場磁感線方向(如圖1中z軸方向)與所述的超聲激勵信號的傳播方向垂直。使待刺激樣本所需要的電刺激方向與電磁場方向垂直。需要根據(jù)電刺激的方向確定樣本擺放方向。

本發(fā)明的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置中：

所述的超聲脈沖發(fā)射器5，用于產(chǎn)生超聲激勵信號，驅(qū)動聚焦型超聲換能器，能調(diào)節(jié)輸出超聲激勵信號的頻率和幅度等參數(shù)，超聲脈沖發(fā)射器5可采用但不限于美國panametrics5072pr實現(xiàn)；

所述的第一聚焦式超聲換能器6和第二聚焦式超聲換能器7，用于將激勵電信號轉(zhuǎn)換為超聲信號，可以采用但不限于單振源聲換能器如美國panametrics的v303su或美國panametrics的v301實現(xiàn)；

所述的聲耦合劑14，置于第一聚焦式超聲換能器6和第二聚焦式超聲換能器7和樣本4之間，用于將聚焦型超聲換能器產(chǎn)生的超聲信號耦合到待刺激樣本4上，減小超聲信號的衰減，所述聲耦合劑14可以采用但不限于深圳ourabo的m-250a超聲耦合劑或深圳mibo的m-200pa耦合劑實現(xiàn)。

所述的電源1，用于輸出電流，所述電源1可以采用但不限于北京國電亞光hy-17電源或者長春英普xd-30k電源；

所述的n極電磁鐵和s極電磁鐵2，設(shè)置于樣本4上方，連接電源1用于根據(jù)不同的供電電流，產(chǎn)生不同磁感應強度的磁場作用于樣本上，所述電磁鐵2可采用但不限于長春英普sbv-300或sbv-380；

所述的特斯拉計3，設(shè)置在n極電磁鐵和s極電磁鐵2的一側(cè)，用于實現(xiàn)磁場的檢測，實時顯示磁場的磁感應強度，所述特斯拉計3可采用但不限于美國lakeshore475，或青島中宇環(huán)泰931。

本發(fā)明的基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置，是一種結(jié)合高強度靜磁場和兩個不同頻率的聚焦型超聲換能器所進行的無創(chuàng)生物電刺激裝置，是將待刺激樣本頭部固定于如圖1所示的靜磁場中，將兩個聚焦型超聲換能器固定于樣本頭部，并使兩個聚焦型超聲換能器聚焦于待刺激樣本大腦刺激部位；因為霍爾效應，聚焦型超聲換能器產(chǎn)生的超聲波在磁場下會產(chǎn)生相應強度和頻率的電場，兩個聚焦型超聲換能器產(chǎn)生的不同頻率電場，在聚焦位置產(chǎn)生一個低頻的差頻電場，所述差頻電場為有效的用于刺激大腦神經(jīng)的電場。本發(fā)明，由于通過兩個聚焦型超聲換能器和靜磁場產(chǎn)生的差頻電場進行電刺激，可以實現(xiàn)精確定位的深部大電刺激。

本發(fā)明的用于基于差頻超聲和逆磁聲耦合技術(shù)的電刺激裝置的方法，包括如下步驟：

1)按照電磁場的方向擺放待刺激樣本，使待刺激樣本所需要的電刺激方向與電磁場方向垂直，并將待刺激樣本固定；

2)將第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器分別固定于待刺激樣本頭部；

所述的第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器，是根據(jù)待刺激樣本需要進行電刺激區(qū)域的大小和位置的要求，確定所需第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的焦斑和焦距，所需電刺激的頻率范圍在第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的頻帶范圍內(nèi)。

3)對待刺激樣本施加磁場；

4)超聲脈沖發(fā)射器通過第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器對待刺激樣本分別施加激勵超聲信號，如所述激勵超聲信號的頻率可以分別為1mhz和1.05mhz，以產(chǎn)生50khz差頻超聲信號用以刺激大腦組織；

所述的分別施加激勵超聲信號，是通過兩個聚焦型超聲換能器在聚焦點疊加產(chǎn)生的低頻電信號對樣本進行電刺激。所述的激勵超聲信號，是在第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器分別與樣本之間加上耦合劑，所述的耦合劑是水或絕緣油或瓊脂，使用超聲脈沖發(fā)射器激勵第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器發(fā)出超聲信號，并將超聲信號打入待刺激樣本頭部。

5)通過調(diào)整第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的聚焦位置，來達到控制激勵超聲信號的聚焦位置；

6)通過調(diào)整第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的超聲傳播方向，來控制待刺激樣本的電刺激方向；

7)通過調(diào)整第一聚焦式超聲換能器和第二聚焦式超聲換能器的激勵強度和施加磁場的大小，來改變電刺激的強度。