低频聚焦电刺激装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及电刺激技术，尤其涉及一种低频聚焦电刺激装置及方法。

背景技术

现有的磁声耦合刺激装置主要是使用单个超声换能器向待刺激的导电组织注入高频率(MHz级)的超声波，同时施加一个与超声传播方向垂直的静磁场，基于磁声耦合效应将在此产生一个频率与超声频率相当的高频率(MHz级)感应电场和电流，适用于研究高频(MHz级)电刺激对神经元的作用效果。

然而，神经元具有低通滤波特性，因此，现有的磁声耦合刺激装置产生的磁声耦合刺激无法产生更易引发神经元响应的低频电流。并且，使用单个超声换能器会导致超声波束的焦点仅在垂直于传播方向上聚焦性较好，在其他方向聚焦性很差的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种低频聚焦电刺激装置及方法，以实现提供空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流以诱发神经元电活动的效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种低频聚焦电刺激装置，该装置包括：

超声波发射模块，用于向目标位置发射三束超声波，其中，所述三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，所述三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率；

静磁场产生模块，用于在目标位置产生恒稳静磁场，以使所述恒稳静磁场和所述三束超声波在所述目标位置产生目标低频交流电信号，其中，所述恒稳静磁场的磁场方向与所述超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直。

第二方面，本发明实施例还提供了一种低频聚焦电刺激方法，该方法包括：

基于超声波发射模块，向目标位置发射三束超声波，其中，所述三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，所述三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率；

基于静磁场产生模块，在目标位置产生恒稳静磁场，以使所述恒稳静磁场和所述三束超声波在所述目标位置产生目标低频交流电信号，其中，所述恒稳静磁场的磁场方向与所述超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直。

本发明实施例的技术方案，通过超声波发射模块，向目标位置发射三束超声波，其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率，通过静磁场产生模块，在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号，其中，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直，解决了诱发神经元电活动时电信号频率过高以及聚焦性差的问题，实现了提供空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流以诱发神经元电活动的效果。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明实施例一所提供的一种低频聚焦电刺激装置的工作原理图；

图2为本发明实施例二所提供的一种低频聚焦电刺激装置的工作原理图；

图3为本发明实施例二所提供的一种三束超声波合振动振幅变化的示意图；

图4为本发明实施例三所提供的一种低频聚焦电刺激装置的工作原理图；

图5为本发明实施例四所提供的一种低频聚焦电刺激方法的流程示意图。

具体实施方式

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。

实施例一

图1为本发明实施例一所提供的一种低频聚焦电刺激装置的工作原理图，本实施例可适用于在待刺激的目标位置产生低频交流电信号的情况，该装置可以用于执行低频聚焦电刺激方法，该装置可以通过软件和/或硬件的形式实现，该硬件可以是电子设备，可选的，电子设备可以是移动终端、PC端、服务器等。

如图1所述，本实施例的低频聚焦电刺激装置包括：超声波发射模块1以及静磁场产生模块2。

其中，超声波发射模块1，用于向目标位置发射三束超声波，其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率；静磁场产生模块2，用于在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号，其中，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块1发射的三束超声波的合方向垂直。

超声波发射模块1，用于向目标位置发射三束超声波。

其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，所述三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率。可选的，三束超声波中的最高频超声波与最低频超声波的信号频率差值为预设干涉频率的两倍。待刺激样本可以是需要进行低频交流电刺激的样本。目标位置可以是待刺激样本中的刺激靶点。预设干涉频率可以是预先设定的能够产生简谐运动干涉现象的信号频率，预设干涉频率的取值应当远小于任一束超声波的信号频率，在本实施例中不作具体限定。

具体的，通过超声波发射模块1可以向目标位置发射出三束超声波。这三束超声波聚焦于目标位置，可以在目标位置产生简谐运动干涉现象。

需要说明的是，若想要三束超声波产生简谐运动干涉现象，则需要这三束超声波在空间中相互垂直并交于空间中一点，该点即为目标位置。并且，产生简谐运动干涉现象还需要这三束超声波的频率相近。

静磁场产生模块2，用于在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号。

其中，恒稳静磁场可以是产生磁声耦合效应所需的磁场，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块1发射的三束超声波的合方向垂直。目标低频交流电信号可以是聚焦于目标位置的低频交流电信号，即感应电场和感应电流。三束超声波的合方向可以是三束超声波聚焦在目标位置处产生的合超声波信号的方向。

具体的，通过静磁场产生模块2可以在目标位置产生恒稳静磁场，并且可以调整恒稳静磁场的磁场方向，以使磁场方向和三束超声波的合方向垂直，以便在目标位置处产生磁声耦合效应。也可以是调整超声波发射模块1产生的三束超声波的方向，使三束超声波的合方向与磁场方向垂直。

需要说明的是，磁声耦合效应是指超声波在导电组织中与恒稳静磁场可以共同作用耦合出一个感应电场和电流。因此，超声波发射模块1发射的三束超声波基于简谐运动干涉现象产生的超声波与静磁场产生模块2产生的恒稳静磁场共同作用可以耦合出目标低频交流电信号。

本发明实施例的技术方案，通过超声波发射模块，向目标位置发射三束超声波，其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率，通过静磁场产生模块，在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号，其中，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直，解决了诱发神经元电活动时电信号频率过高以及聚焦性差的问题，实现了提供空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流以诱发神经元电活动的效果。

实施例二

图2为本发明实施例二所提供的一种低频聚焦电刺激装置的工作原理图。

如图2所述，本实施例的低频聚焦电刺激装置中的超声波发射模块1包括：脉冲超声激励源11、第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14。

其中，脉冲超声激励源11，用于提供超声激励信号；第一超声换能器12，与脉冲超声激励源11相连接，用于将超声激励源11中与第一超声换能器12相对应的超声激励信号转换为第一超声波；第二超声换能器13，与脉冲超声激励源11相连接，用于将超声激励源11中与第二超声换能器13相对应的超声激励信号转换为第二超声波；第三超声换能器14，与脉冲超声激励源11相连接，用于将超声激励源11中与第三超声换能器14相对应的超声激励信号转换为第三超声波；其中，第一超声波、第二超声波以及第三超声波两两垂直。

其中，超声激励信号可以是用于激励产生超声信号的电信号。

具体的，脉冲超声激励源11提供至少三通道的超声激励信号，这些超声激励信号的信号频率相近，幅值和相位可以相同也可以不同。脉冲超声激励源11中三个通道产生的超声激励信号分别作用于第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14，以使第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14分别将相对应的超声激励信号转换为对应的超声波，即第一超声波、第二超声波以及第三超声波。为了后续使得三束超声波能够满足简谐运动干涉现象产生的条件，令任意两束超声波的信号频率差值小于预设干涉频率，并且，调整超声波的方向，使得第一超声波、第二超声波以及第三超声波在空间中两两垂直。

可选的，脉冲超声激励源11可以是三通道脉冲超声激励源，第一超声换能器12、第二超声换能器13和第三超声换能器14均为单阵元聚焦超声换能器。

如图2所述，本实施例的低频聚焦电刺激装置还包括：固定模块3。

固定模块3，用于固定第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14，并调节第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14的位置和角度。

具体的，固定模块3可以是一个可升降、可旋转的固定装置，可以将第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14安装在固定模块3上，以进行固定。并且，可以通过固定模块3的位置和角度来调整第一超声换能器12、第二超声换能器13以及第三超声换能器14的位置和角度，以便使三束超声波在空间中两两垂直。

可选的，固定模块3包括三个非铁磁性万向悬臂支架。

其中，第一超声换能器、第二超声换能器以及第三超声换能器分别固定在非铁磁性万向悬臂支架上，非铁磁性万向悬臂支架的高度和角度可调节。

具体的，非铁磁性万向悬臂支架中，非铁磁性的原因在于需要避免由于固定模块3产生磁场影响后续在目标位置处产生的目标低频交流电信号，万向悬臂支架的含义是可以加以固定，并在各个方向上移动，以达到高度和角度可调节的作用。

在上述各实施例的基础上，为了使三束超声波能够产生简谐运动干涉现象，三束超声波的中心频率满足下述条件：

Δf＝f

其中，f

具体的，可以通过调节脉冲超声激励源11的激励参数，使得三个聚焦超声换能器发出的超声波波束中心频率之差远小于每一超声波束的中心频率，并且，频率相近的两束超声波波束的中心频率之差相等。

示例性的，f

在上述各实施例的基础上，静磁场产生模块2，包括：至少两组永磁铁。

其中，每组永磁铁包括尺寸相同且磁感应强度匹配的两个永磁铁，每组永磁铁中的第一永磁铁的N极和第二永磁铁的S极相对放置。

具体的，可以通过永磁铁组来产生恒稳静磁场，每组永磁铁中包括第一永磁铁和第二永磁铁，第一永磁铁的N极和第二永磁铁的S极相对放置，以产生恒稳静磁场，并且，第一永磁铁和第二永磁铁的尺寸相同，磁感应强度相当。为了能够调整恒稳静磁场的磁场强度可以选用不同磁感应强度的永磁铁组。通过更换不同组的永磁铁，可以调整使用不同的磁场强度。

需要说明的是，使用永磁铁的好处在于不存在外加电场产生额外干扰，单对磁场强度的调整较为麻烦。使用电磁铁则方便调整磁场强度，但是，会存在外加电场，影响超声波状态。具体使用何种磁铁，可以根据实际需求选择。

在上述各实施例的基础上，目标低频交流电信号根据三束超声波对应的超声信号的合超声信号确定；

其中，三束超声波对应的超声信号分别为：

合超声信号为：

其中，I为与恒稳静磁场耦合产生目标交流电信号的合超声信号，I

具体的，角频率相近的两束交流电信号的角频率相差不大，且满足Δω＝(ω

需要说明的是，以角频率最低的两束超声波为例进行说明。根据超声波束的角频率的条件Δω＜＜ω2<ω1，可以推断上式中第一项

在上述各实施例的基础上，目标低频交流电信号在目标位置处的感应电流密度为：

其中，j

需要说明的是，目标低频交流电信号的感应电场和电流具有矢量性，其方向与恒稳静磁场及超声波的合声场方向均垂直，感应电流密度的大小与待刺激样本的电导率σ、待刺激样本的组织密度ρ、超声波在待刺激样本中的声速c

本发明实施例的技术方案，通过超声波发射模块，向目标位置发射三束超声波，其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率，通过静磁场产生模块，在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号，其中，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直，解决了诱发神经元电活动时电信号频率过高以及聚焦性差的问题，实现了提供空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流以诱发神经元电活动的效果。

实施例三

在上述各实施例的基础上，图4为本发明实施例三所提供的一种低频聚焦电刺激装置的工作原理图。

如图4所示，本实施例的低频聚焦电刺激装置包括：超声波发射模块，静磁场产生模块以及固定装置。

超声波发射模块，用于向待刺激样本的目标位置发射超声波波束。超声波发射模块包括一个三通道脉冲超声激励源和三个独立的中心频率相近的聚焦超声换能器。超声波发射模块中，脉冲超声激励源的激励通道与单阵元聚焦超声换能器一一对应，以激励聚焦超声换能器发出频率相近的超声波波束，三束超声波在空间中相互垂直并交于空间中一点，该点即为刺激靶点所在位置(目标位置)。

其中，脉冲超声激励源为三通道脉冲超声激励源，能同时激励三个聚焦超声换能器发射超声波束，三个激励信号的频率相差不大。聚焦超声换能器为单阵元聚焦超声换能器，与脉冲超声激励源的三个通道一一对应，被激励后发出三束在空间中相互垂直的超声信号，三束超声波的中心频率相近，最高频率超声波与中间频率超声波的频率之差和中间频率超声波与最低频率超声波的频率之差相等，此差值远小于每一束独立的超声波的频率。

具体的，调节脉冲超声激励源的激励参数，可以使三个激励信号的频率f

Δf＝f

即三个聚焦超声换能器发出的超声波波束的中心频率之差远小于每一超声波束，以满足简谐运动“干涉”现象产生的条件。

静磁场产生模块为永磁铁组。永磁铁组为几组不同磁感应强度的永磁铁，每组包含两块尺寸相同、磁感应强度相等的永磁铁，用于提供恒稳静磁场。使用时，同组的两个永磁铁分别置于待刺激样本的两侧，且一个永磁铁的N极与另一个永磁铁的S极相对。

固定装置为万向悬臂支架。万向悬臂支架为三个高度、角度可被任意调节的非铁磁性支架，用于固定单阵元聚焦超声换能器，便于调整聚焦超声换能器所发出的超声波束的方向和焦点位置，使三束超声波在空间中彼此垂直，并交汇于待刺激样本的目标位置。并且，需要使三束超声波交汇产生的合声束的传播方向垂直于恒稳静磁场方向，确保获得足够大得感应电场和电流。进而，基于磁声耦合效应，在超声信号聚焦区域，待刺激样本中将产生一个空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流。

本实施例的技术方案，通过超声波发射模块向目标位置发射三束中心频率相近的超声波波束，三束超声波的均在聚焦于待刺激样本的目标位置，并在空间中呈90度，三束超声波在交汇处干涉形成低频信号，通过静磁场产生模块在目标位置处产生恒稳静磁场，基于磁声耦合效应，在目标位置耦合出与合声场方向与静磁场方向均垂直的的低频感应电场和电流，解决了诱发神经元电活动时电信号频率过高以及聚焦性差的问题，实现了提供空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流以诱发神经元电活动的效果。

实施例四

图5为本发明实施例四所提供的一种低频聚焦电刺激方法的流程示意图，本实施例可适用于在待刺激的目标位置产生低频交流电信号的情况，该方法可以由低频聚焦电刺激装置执行。

如图5所示，本实施例的方法具体包括如下步骤：

S410、基于超声波发射模块，向目标位置发射三束超声波。

其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率。

S420、基于静磁场产生模块，在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号。

其中，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直。

在上述各实施例的基础上，可选的，超声波发射模块包括：脉冲超声激励源、第一超声换能器、第二超声换能器以及第三超声换能器；基于脉冲超声激励源，提供超声激励信号；基于第一超声换能器，将所述超声激励源中与所述第一超声换能器相对应的超声激励信号转换为第一超声波；基于第二超声换能器，将所述超声激励源中与所述第二超声换能器相对应的超声激励信号转换为第二超声波；基于第三超声换能器，将所述超声激励源中与所述第三超声换能器相对应的超声激励信号转换为第三超声波；其中，所述第一超声波、所述第二超声波以及所述第三超声波两两垂直。

在上述各实施例的基础上，可选的，所述脉冲超声激励源为三通道脉冲超声激励源，所述第一超声换能器、所述第二超声换能器和所述第三超声换能器均为单阵元聚焦超声换能器。

在上述各实施例的基础上，可选的，所述装置还包括：固定模块；基于固定模块，固定所述第一超声换能器、所述第二超声换能器以及所述第三超声换能器，并调节所述第一超声换能器、所述第二超声换能器以及所述第三超声换能器的位置和角度。

在上述各实施例的基础上，可选的，固定模块包括三个非铁磁性万向悬臂支架；其中，所述第一超声换能器、所述第二超声换能器以及所述第三超声换能器分别固定在所述非铁磁性万向悬臂支架上；所述非铁磁性万向悬臂支架的高度和角度可调节。

在上述各实施例的基础上，可选的，所述三束超声波的中心频率满足下述条件：

Δf＝f

其中，f

在上述各实施例的基础上，可选的，所述静磁场产生模块，包括：至少两组永磁铁，其中，每组永磁铁包括尺寸相同且磁感应强度匹配的两个永磁铁，每组永磁铁中的第一永磁铁的N极和第二永磁铁的S极相对放置。

在上述各实施例的基础上，可选的，目标低频交流电信号根据所述三束超声波对应的超声信号的合超声信号确定；

其中，所述三束超声波对应的超声信号分别为：

所述合超声信号为：

其中，I为与所述恒稳静磁场耦合产生目标交流电信号的合超声信号，I

在上述各实施例的基础上，可选的，目标低频交流电信号在所述目标位置处的感应电流密度为：

其中，j

本发明实施例的技术方案，通过超声波发射模块，向目标位置发射三束超声波，其中，三束超声波两两垂直，聚焦于待刺激样本的目标位置，三束超声波的中心频率成等差数列，频率相邻的两束超声波的信号频率差值等于预设干涉频率，通过静磁场产生模块，在目标位置产生恒稳静磁场，以使恒稳静磁场和三束超声波在目标位置产生目标低频交流电信号，其中，恒稳静磁场的磁场方向与超声波发射模块发射的三束超声波的合方向垂直，解决了诱发神经元电活动时电信号频率过高以及聚焦性差的问题，实现了提供空间对称、分辨率高的低频感应电场和电流以诱发神经元电活动的效果。

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。