一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置及运行方法

1.本发明实施例涉及经颅磁声刺激技术，尤其涉及一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置及运行方法。


背景技术：

2.神经电刺激技术现已被广泛应用于脑部神经方面疾病的治疗。尤其是深部脑区的精准电刺激在重大脑疾病的诊疗等领域尤其需要。常见的无创神经电磁刺激如经颅直流电刺激、经颅磁刺激技术等，现阶段均无法实现毫米量级的高空间分辨率，且难以达到对深部脑区的刺激。而有创式的脑深部电刺激技术则需要打开颅骨进行电极植入，手术和应用风险性高，也存在较大操作风险。
3.经颅磁声刺激是一种新型的可兼顾刺激聚焦性与刺激深度的无创神经电刺激技术。该方法不同于此前直接利用电场磁场变化诱发电刺激的形式，而是基于导电组织的磁声耦合效应，利用超声的高聚焦特性实现高空间分辨的无创电刺激。该刺激方法可以实现包括深部脑区在内的全脑区毫米量级的经颅精准电刺激，是治疗脑部神经功能性疾病的有力手段。
4.然而，根据磁声耦合理论，磁声耦合聚焦电场的电场强度由聚焦点处的组织中带电粒子的振动速度与静磁场的磁感应强度共同决定的。对于生物组织来说，现有的经颅磁声技术中磁声耦合聚焦电场强度很低，远未达到神经动作电位阈值，因此治疗效果并不理想。


技术实现要素：

5.本发明提供一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置及运行方法，以提高待治疗部位的电刺激强度，提高治疗效果。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置，包括：
7.超声波发射模块，用于向待治疗对象的待治疗部位发射超声波波束；
8.第一静磁铁安置模块，用于在治疗阶段安置磁铁，使所述磁铁在所述待治疗部位构建磁场；
9.液态磁引导模块，所述液态磁引导模块置于所述待治疗部位，所述液态磁引导模块包括液态金属和磁性颗粒；
10.液态磁引导模块富集模块，用于引导所述液态磁引导模块流动至所述待治疗部位；
11.其中，所述超声波波束与所述磁场的磁感线在所述待治疗部位所成夹角大于0度。
12.可选的，所述液态金属包括镓或镓基液态金属。
13.可选的，所述磁性颗粒包括磁性fe3o4纳米颗粒。
14.可选的，所述超声波波束与所述磁场的磁感线在所述待治疗部位所成夹角为90度。
15.可选的，液态磁引导模块富集模块包括第二静磁铁安置模块和引导支架，所述第二静磁铁安置模块用于在引导阶段安置所述磁铁，所述第二静磁铁安置模块固定于所述引导支架上，所述引导支架用于调节所述第二静磁铁安置模块的位置和朝向。
16.可选的，所述超声波发射模块包括聚焦超声换能器和脉冲超声激励源，所述脉冲超声激励源用于向所述聚焦超声换能器提供激励。
17.可选的，所述超声波发射模块还包括控制部，所述控制部通过调节所述脉冲超声激励源的输出参数，来调节所述聚焦超声换能器的焦点位置。
18.可选的，所述超声波发射模块还包括换能器支架，所述聚焦超声换能器固定于所述换能器支架上，所述换能器支架用于调节所述聚焦超声换能器的位置和朝向。
19.可选的，所述换能器支架包括支架本体、第一滑轨和第二滑轨，所述第一滑轨沿第一方向安装于安装面上，所述第二滑轨沿第二方向安装于所述第一滑轨上，所述第二滑轨能够在所述第一滑轨上滑动，所述支架本体能够在所述第二滑轨上滑动；
20.其中，所述第一方向与所述第二方向所成夹角大于0度。
21.第二方面，本发明实施例还提供了一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的运行方法，运行于上述任意一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置，包括：
22.将所述液态磁引导模块注入所述待治疗部位所在区域；
23.将所述磁铁安置到所述液态磁引导模块富集模块上；
24.控制所述液态磁引导模块富集模块将所述磁铁贴合所述液态磁引导模块的注入部位；
25.通过控制所述液态磁引导模块富集模块，使所述磁铁贴着所述待治疗对象移动，以引导所述待治疗对象体内的所述液态磁引导模块流动富集到所述待治疗部位；
26.将所述磁铁安置到所述第一静磁铁安置模块上；
27.控制所述超声波发射模块向所述待治疗部位发射所述超声波波束。
28.本发明实施例的带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置，通过超声波发射模块向待治疗对象的待治疗部位发射超声波波束；通过第一静磁铁安置模块在治疗阶段安置磁铁，使磁铁在待治疗部位构建磁场；液态磁引导模块，将液态磁引导模块置于待治疗部位，液态磁引导模块包括液态金属和磁性颗粒；液态磁引导模块富集模块，用于引导液态磁引导模块流动至待治疗部位；超声波波束与磁场的磁感线在待治疗部位所成夹角大于0度。由于液态磁引导模块中的液态金属和磁性颗粒在超声波中的振动速度远大于生物组织中带电粒子的振动速度，这些振动的导电粒子在静磁场中受到洛伦兹力的作用，在超声聚焦区域形成局部感应电流，产生的聚焦磁声刺激电场远大于由生物组织中带电粒子振动产生的感应电流。因此大大提高了磁声耦合聚焦电场强度，增强了治疗效果。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的结构示意图；
30.图2为本发明实施例提供的一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的工作原理图；
31.图3为本发明实施例提供的一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的运行方法
的流程图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
33.经颅磁声耦合刺激是基于导电组织的磁声耦合效应，利用超声的高聚焦特性实现高空间分辨的无创电刺激技术。其基本原理是：组织中的导电粒子受超声激励产生振动，在与粒子振动方向垂直的磁场(可以为静磁场)存在的情况下，导电粒子受到洛伦兹力的作用，正负粒子沿静磁场与超声场的矢量积方向各自向组织两端偏转汇聚，形成内部感应电场。可见，对于置于静磁场中的导电生物组织，如果超声信号沿一方向射入，基于磁声耦合效应，组织内部会在与静磁场及声场方向均垂直的方向上产生同频的内部耦合电场及耦合电流。感应电场强度遵循e＝vj×
b，感应电场e和耦合电场的大小粒子振动速度vj以及磁场磁感应强度b均成线性关系，感应电场的方向为超声声场与静磁场的矢量积方向。
34.在理想的纯介质中，基于声学理论，超声中粒子的振动速度为v＝p/ρcm，式中，p超声声压，ρ为介质密度，cm为介质中的声速；但是在非理想的生物组织中，实际带电粒子的振动速度vj是远远小于介质的振速的。因此导致了生物组织中的感应电场强度也较小，磁声耦合电刺激的治疗效果较差。
35.图1为本发明实施例提供的一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的结构示意图，参见图1。基于上述问题，本发明实施例提供了一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置，包括：
36.超声波发射模块1，用于向待治疗对象的待治疗部位发射超声波波束；
37.第一静磁铁安置模块2，用于在治疗阶段安置磁铁，使磁铁在待治疗部位构建磁场；
38.液态磁引导模块(图中未示出)，液态磁引导模块置于待治疗部位，液态磁引导模块包括液态金属和磁性颗粒；
39.液态磁引导模块富集模块3，用于引导液态磁引导模块流动至待治疗部位；
40.其中，超声波波束与磁场的磁感线在待治疗部位所成夹角大于0度。
41.其中，超声波发射模块1可以是任何一种能够向待治疗部位发射超声波的装置。本发明实施例不针对超声波发射模块1的具体类型做出限定，且将在下文对超声波发射模块1的具体实例做出描述。可以在第一静磁铁安置模块2上安置磁铁，在安置磁铁后，能够使磁铁在待治疗部位构建磁场。第一静磁铁安置模块2可以是任意一种能够使安置的磁铁在待治疗部位形成磁场的装置，可以是磁铁安装槽。本发明实施例不针对第一静磁铁安置模块2的具体结构做出限定，满足上述需求即可。待治疗部位是需要磁声耦合电场刺激治疗的人或动物体组织，该组织可以是脑组织，也可以是任何肌肉或神经组织，同时也是磁场的磁感线与超声波的交叉处。可以通过改变超声波发射模块1和第一静磁铁安置模块2的位姿来改变待治疗部位。磁铁的磁场与超声波产生磁声耦合以在脑部的待治疗部位形成电场。电场强度与电场方向为超声波与磁场的矢量积。因此，需确保超声波波束与磁场的磁感线在待治疗部位所成夹角大于0度。优选的，超声波波束与磁场的磁感线在待治疗部位所成夹角为
90度。这样可以获得最大电场强度，提高待治疗部位的电流大小，得到更好的治疗效果。液态磁引导模块富集模块3用于，在待治疗部位的附近注入液态磁引导模块后，通过磁场引导掺杂于液态金属内的磁性颗粒流动，磁性颗粒带动液态金属，使液态磁引导模块富集于待治疗部位，定位液态磁引导模块。本发明实施例不针对液态磁引导模块富集模块3的具体结构做出限定，满足上述需求即可，且将在下文给出一种液态磁引导模块富集模块3。在上文中提到了，在非理想的生物组织中，实际带电粒子的振动速度远远小于理想的纯介质的振速的问题。由于金属可以看作理想的纯介质，导电粒子只有电子，因此金属中的磁声耦合电场远远大于在生物组织中的磁声耦合电场。通过在待治疗部位富集液态金属的方式，可以将生物组织介质替换为液态金属介质，从而提高带电粒子的振动速度，大大增强了磁声耦合聚焦电场强度，增强了治疗效果。
42.在另一些实施例中，液态金属包括镓或镓基液态金属。
43.其中，金属单质镓以及镓铟、镓铟锡和镓铟锡锌等镓合金材料具有优秀的物化特性，例如具有其低熔点(低于300℃)、高沸点(高于1000℃)、低粘度、高表面张力、高导热能力、广泛的金属溶解能力、多重响应性以及表面天然二维纳米氧化膜等优异且独特的性质，还可降低经颅磁声耦合刺激技术中超声带来的热效应和空化效应影响。且单质镓和镓合金是无毒的，液态金属即为镓合金材料。其物化性质十分稳定，具有较好的生物相容性，不会像汞一样在空气中易挥发，因而不会直接对人造成伤害。相关研究表明，只有在服用浓度高于750mg/kg的镓时才会表现出对人肾脏的毒性。因此选用镓或镓基液态金属作为磁声耦合刺激的增强剂具有较高的安全性。
44.在另一些实施例中，磁性颗粒包括磁性fe3o4纳米颗粒。
45.其中，fe3o4对人体和动物体没有毒性，且价格较低。磁性fe3o4纳米颗粒的大小不超过100纳米，作为引导液态金属流动富集的材料较为理想。
46.在另一些实施例中，液态磁引导模块富集模块3包括第二静磁铁安置模块31和引导支架32，第二静磁铁安置模块31用于在引导阶段安置磁铁，第二静磁铁安置模块31固定于引导支架32上，引导支架32用于调节第二静磁铁安置模块31的位置和朝向。
47.其中，第二静磁铁安置模块31可以位于引导支架32的端部。第二静磁铁安置模块31可以是磁铁安置槽。使用时，将静磁铁放入磁铁安置槽中，可以通过调整引导支架32，对液态磁引导模块富集模块3提供的静磁场实现空间位置的移动以及磁场方向的调节。从而引导液态磁引导模块的流动，完成液态磁引导模块定位。本发明实施例不针对引导支架32的结构进行限定，任何一种能够满足上述需求的结构均可作为引导支架32。
48.在另一些实施例中，超声波发射模块1包括聚焦超声换能器11和脉冲超声激励源12，脉冲超声激励源12用于向聚焦超声换能器11提供激励。
49.其中，聚焦超声换能器11可以是单阵元聚焦超声换能器，也可以是相控阵聚焦超声换能器。其主频可以是0.3mhz-5mhz，可基于待刺激对象的刺激深度进行频率选择。脉冲超声激励源12的激励通道数与聚焦超声换能器11的阵元数目一致，以确保每个通道可以对每个阵元单独激励。
50.在另一些实施例中，超声波发射模块1还包括控制部13，控制部13通过调节脉冲超声激励源12的输出参数，来调节聚焦超声换能器11的焦点位置。
51.其中，当聚焦超声换能器11包括相控阵聚焦超声换能器时，聚焦超声换能器11还
包括控制部13。控制部13可以是微型计算机或是工控机，脉冲超声激励源12的各个激励通道的激励参数由微型计算机或工控机控制。激励参数可以包括激励电压、激励脉宽以及激励频率等。通过微型计算机或工控机对每个激励通道的脉冲激励参数的调节，可以使换能器发出焦距及焦点位置均可调节的聚焦超声脉冲信号。脉冲超声激励源12及微型计算机可以为verasonics超声开发平台。
52.在另一些实施例中，超声波发射模块1还包括换能器支架14，聚焦超声换能器11固定于换能器支架14上，换能器支架14用于调节聚焦超声换能器11的位置和朝向。
53.其中，换能器支架14可以是任何一种能够调节聚焦超声换能器11的位置和朝向的结构，本发明实施例不针对换能器支架14的具体结构进行限定。图2为本发明实施例提供的一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的工作原理图，参见图2。图中与三维直角坐标系中x轴同向的v表示超声波波束，方向与超声声场方向一致；与三维直角坐标系中z轴同向的b为静磁场；与三维直角坐标系中y轴同向的e为磁声耦合电场。由此可见，可以通过调节换能器支架14来改变聚焦超声换能器11的位姿，以改变超声波波束v的方向，进而获得不同方向的磁声耦合电场e，以刺激不同走向的神经元及神经通路，实现矢量刺激。
54.在另一些实施例中，换能器支架14包括支架本体141、第一滑轨142和第二滑轨143，第一滑轨142沿第一方向安装于安装面上，第二滑轨143沿第二方向安装于第一滑轨142上，第二滑轨143能够在第一滑轨142上滑动，支架本体141能够在第二滑轨143上滑动；
55.其中，第一方向与第二方向所成夹角大于0度。
56.其中，第一方向与第二方向所成的夹角可以是90度，支架本体141可以在与第一方向和第二方向垂直的方向上伸缩。支架本体141的一端通过选向器连接有聚焦超声换能器11，聚焦超声换能器11可以相对支架本体141转换朝向。通过支架本体141、第一滑轨142和第二滑轨143的配合，可以改变聚焦超声换能器11的空间位置。
57.在另一些实施例中，还可以包括被治疗对象固定装置4，用于固定被治疗对象。
58.其中，被治疗对象固定装置4可以仅包括头部固定装置；可以仅包括躯干固定装置；还可以同时包括头部固定装置和躯干固定装置。头部固定装置可以连接于躯干固定装置上。躯干固定装置可以是灵长类固定台，也可以是座椅。
59.图3为本发明实施例提供的一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的运行方法的流程图，参见图3。本发明实施例还提供了一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置的运行方法，运行于上述实施例中任意一种带有磁引导模块的磁声耦合刺激装置，包括：
60.s1：将液态磁引导模块注入待治疗部位所在区域。
61.其中，可将镓，镓铟，镓铟锡，镓铟锡锌等镓基液态金属中的一种或几种作为液态磁引导模块中的液态金属部分，在液态金属中混入磁性纳米颗粒，比如磁性fe3o4纳米颗粒，形成磁性液态金属，将磁性液态金属作为增强剂注入待治疗对象的待治疗部位，例如需要治疗头部时，可以注入待治疗对象头部的患处附近。
62.s2：将磁铁安置到液态磁引导模块富集模块上。
63.其中，以头部治疗为例，可以将待治疗对象的头部置于被治疗对象头部固定装置上。将实验用的磁铁放入液态磁引导模块富集模块3的安置槽中。
64.s3：控制液态磁引导模块富集模块将磁铁贴合液态磁引导模块的注入部位。
65.s4：通过控制液态磁引导模块富集模块，使磁铁贴着待治疗对象移动，以引导待治
疗对象体内的液态磁引导模块流动富集到待治疗部位。
66.其中，调节液态磁引导模块富集模块3，将装载在液态磁引导模块富集模块3上的用于磁引导的静磁铁紧贴待治疗对象头部，并继续调节液态磁引导模块富集模块3，利用液态磁引导模块富集模块3上的静磁铁引导体内的磁性液态金属流动富集到待治疗部位，即将液态磁引导模块定位于待治疗部位。
67.s5：将磁铁安置到第一静磁铁安置模块上。
68.其中，在液态磁引导模块定位结束后，可以将安置在液态磁引导模块富集模块3上的磁铁拆下，并安置到第一静磁铁安置模块2上。使磁铁在所述待治疗部位构建磁场。
69.s6：控制超声波发射模块向待治疗部位发射超声波波束。
70.其中，可以调整聚焦超声换能器11的位置，使得聚焦超声换能器11通过耦合剂可以接触到待治疗对象脑区所映射的头皮部位，并且与此时的静磁场方向正交。然后，调整超声波发射模块1中单通道或多通道脉冲超声激励源12的输出参数，使超声波发射模块1中超声换能器的焦距和焦点对准待治疗对象脑部待治疗部位。此时，打开脉冲超声激励源12的输出，即可对待治疗对象的待治疗脑部位置进行精准的经颅磁声刺激。由于待治疗部位有了磁性液态金属的增强，大幅提高了磁声耦合效率，大幅提高了磁声耦合电场的强度。在刺激中，可以通过调整超声激励的大小以实现不同强度的声压，进而获得不同刺激强度的需要；可以通过调整聚焦声场与磁场的相对位置，实现不同的磁声刺激方向。实现对待治疗部位的待刺激方向进行灵活调整。
71.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。