一种激光超声刺激与检测装置

技术领域

本发明涉及激光超声刺激与检测技术领域，特别是涉及一种激光超声刺激与检测装置。

背景技术

脑科学研究是目前世界各国的研究热点，脑神经疾病或精神障碍会给患者的工作、生活产生极大影响，尤其是随着人口老龄化情况日趋严重，帕金森症和艾尔兹海默症等精神疾病的患者人数不断攀升，有效干预和治疗手段的研发不但可以减轻患者痛苦，还可以缓解社会压力。神经调控技术是神经系统疾病治疗的主要手段。临床和研究表明，神经调控技术不但可以精确刺激脑区中靶点，达到治疗效果，相比于药物具有更好的安全性。

目前物理性刺激的神经调控技术主要包括经颅超声刺激、经颅磁刺激、电极深部脑刺激、经颅直流电刺激和光遗传技术等，其中电极深部脑刺激技术目前主要应用于脑功能疾病治疗，通过神经外科手术植入刺激电极，通过可控的电流刺激作为异常放电神经组织来达到神经调控的目的，但该方法需要手术将电极植入靶点，存在术后感染等危险性，而且植入电极寿命有限，给患者带来极大痛苦，如何在体外实现深部电刺激是目前亟需解决的问题。经颅直流电刺激具有无创、应用难度低的优点，但是在与磁共振等设备配合使用时由于电缆线的影响导致噪声增大，而且穿透深度和刺激部位的精准度也难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光超声刺激与检测装置，以克服现有的深部电刺激需要手术以及经颅直流电刺激与磁共振等配合时噪声大，刺激精准度差的问题，实现深度、聚焦且精准的刺激与检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种激光超声刺激与检测装置，包括：

激光器控制系统；

激光超声增强介质；

激光器激励系统，与所述激光器控制系统连接，用于在所述激光器控制系统的控制下产生激励光束；所述激励光束入射在所述激光超声增强介质上，激励所述激光超声增强介质在热弹性机制下产生超声信号，并形成激光超声阵列；所述激光超声阵列聚焦到待刺激脑区的靶点位置处，产生电磁信号；

电磁接收系统，用于采用线圈或电极检测所述电磁信号，得到检测信号；所述检测信号包括：电流密度和/或电导率；

激光调Q控制器，与所述激光器控制系统连接，用于同步所述激励光束的出射时间，并生成同步信号；

信号检测处理系统，分别与激光调Q控制器和所述电磁接收系统连接，用于在所述同步信号的作用下与所述激光器激励系统和所述电磁接收系统同步工作，对所述检测信号进行处理，得到检测图像；所述检测图像包括：电流密度分布图和/或电导率分布图。

可选地，所述激光器激励系统包括：

激光激励源，与所述激光器控制系统连接，用于在所述激光器控制系统的控制下产生激光；

激光分束器，用于对所述激光进行分束，得到若干分束后激光；

激光耦合器，用于将若干所述分束后激光耦合至传输光纤中；

若干自聚焦透镜，分别与所述传输光纤连接，用于通过阵列组合方式对所述分束后激光进行聚焦，得到激励光束。

可选地，所述激光超声增强介质涂覆在若干所述自聚焦透镜的表面。

可选地，将一个自聚焦透镜与涂覆在其表面的激光超声增强介质共同产生的超声信号作为一个激光超声阵元，所有激光超声阵元组成激光超声阵列，所述激光超声阵列用于形成超声平面波波阵面。

可选地，所述激光器控制系统控制所述激光器激励系统依次发射若干不同偏转角度的平面波辐射所述待刺激脑区，得到不同偏转角度下的电磁信号；所述电磁接收系统采用线圈或电极检测不同偏转角度下的电磁信号，得到不同偏转角度下的检测信号；所述信号检测处理系统采用相干平面波复合技术，将不同偏转角度下的检测信号进行相干叠加，得到检测图像。

可选地，所述激光激励源为调Q固态激光器；所述调Q固态激光器产生的激光能量密度小于所述激光超声增强介质的损伤阈值。

可选地，若干所述分束后激光为8路、16路、32路或64路光信号。

可选地，所述激光超声增强介质为碳化钛二维层状材料或碳纳米增强介质。

可选地，所述激光超声阵列位于磁场环境中；所述磁场环境为独立的静磁场环境或磁共振场强环境。

可选地，所述激光超声阵列的聚焦区域由激光激励频率和激光超声阵元形式决定。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的激光超声刺激与检测装置，采用激光器激励系统在激光器控制系统的控制下产生激励光束，入射在激光超声增强介质上，从而在热弹性机制下产生超声信号，并形成激光超声阵列，该激光超声阵列在磁场环境下聚焦到待刺激脑区的靶点位置处，实现对脑区靶点的精准刺激，同时电磁接收系统采集电磁信号以实时监控脑区靶点位置的电流密度分布和/或电导率分布，在非电磁环境下则可以实现激光超声的精准聚焦声刺激功能，实现非电磁干扰的脑区靶点精准刺激。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的激光超声刺激装置的结构示意图；

图2为本发明提供的激光器激励系统的结构示意图。

符号说明：

激光器控制系统-1，激光器激励系统-2，激光调Q控制-3，待刺激脑区-4，电磁接收系统-5，信号检测处理系统-6；激光激励源-A1，激光分束器-A2，激光耦合器-A3，传输光纤-A4，自聚焦透镜-A5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种激光超声刺激方法和装置，以克服现有的深部刺激需要手术以及经颅电刺激在磁场环境下受电磁干扰和刺激精度差的问题，实现深部、多点聚焦、高精准度的脑区刺激。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种激光超声刺激与检测装置。如图1所示，该装置包括：激光器控制系统1、激光超声增强介质、激光器激励系统2、激光调Q控制器3、电磁接收系统5和信号检测处理系统6。

其中，所述激光器激励系统2与所述激光器控制系统1连接，用于在所述激光器控制系统1的控制下产生激励光束。所述激励光束通过光纤入射在所述激光超声增强介质上，激励所述激光超声增强介质在热弹性机制下产生超声信号，并形成激光超声阵列；所述激光超声阵列聚焦到待刺激脑区4的靶点位置处，产生电磁信号。所述激光调Q控制器3与所述激光器控制系统连接1，用于同步所述激励光束的出射时间，并生成同步信号。所述电磁接收系统5用于采用线圈或电极检测所述电磁信号，得到检测信号；所述检测信号包括：电流密度和/或电导率。所述信号检测处理系统6分别与所述激光调Q控制器3和所述电磁接收系统5连接，用于在所述同步信号的作用下与所述激光器激励系统2和所述电磁接收系统5同步工作，对所述检测信号进行处理，得到检测图像；所述检测图像包括：电流密度分布图和/或电导率分布图，从而实现对所述待刺激脑区4的精准刺激的同时实时监控待刺激脑区4的电流密度分布等信息。其中，所述激光超声阵列的聚焦区域由激光激励频率和激光超声阵元形式决定。

进一步地，本发明提供的激光超声刺激与检测装置，其激光超声刺激在磁场环境下，可以实现深部脑刺激，也可以实现经颅电刺激的效果，其激光超声刺激在非磁场环境下，可以实现聚焦声刺激的功能。

优选地，所述激光超声增强介质为碳化钛二维层状材料，由于碳化钛二维层状结构在可见光的带间跃迁和近红外的等离子共振效应，能够产生高转换效率的超声信号；其次可选的激光超声增强介质为碳纳米增强介质，其具有高激光吸收率、高热传导率、低比热容和高热膨胀系数，能够产生高幅度和高频的超声信号。

进一步地，如图2所示，所述激光器激励系统2包括：激光激励源A1、激光分束器A2、激光耦合器A3和若干自聚焦透镜A5。其中，激光激励源A1与所述激光器控制系统1连接，用于在所述激光器控制系统1的控制下产生激光；激光分束器A2用于对所述激光进行分束，得到若干分束后激光；激光耦合器A3用于将若干所述分束后激光耦合至传输光纤A4中；若干自聚焦透镜A5分别与所述传输光纤A4连接，用于通过阵列组合方式对所述分束后激光进行聚焦，得到激励光束。

优选地，所述激光激励源为调Q固态激光器；所述调Q固态激光器产生的激光能量密度小于所述激光超声增强介质的损伤阈值。

作为一种具体的实施方式，所述的激光器控制系统1控制激光器激励系统2，首先激光器控制系统1设置好电压参数，利用外触发方式实现调Q固态激光器的激励，确定激光器激发激光的能量和脉冲宽度，保证其能量密度小于激光超声增强介质的损伤阈值；激光激励源A1产生激光通过激光分束器A2后对光束进行分束，然后分束后的激光通过激光耦合器A3耦合到高功率的传输光纤A4中，传输光纤A4连接自聚焦透镜A5，自聚焦透镜A5表面涂覆激光超声增强介质，以形成一个激光超声阵元，所有激光超声阵元则组成激光超声阵列，组成的激光超声阵列形成平面波波阵面作用在所述待刺激脑区4上。激光器激励系统2出射激光的同时，激光调Q控制器3接收到信号用于同步出射激光(即激励光束)的出射时间，为整个刺激和检测装置提供同步信号。

为实现待刺激脑区4的聚焦刺激，需要控制所有由自聚焦透镜出射的激光超声阵元作用到待刺激脑区4的靶点位置上，不同于相控阵超声聚焦的电子聚焦方式，本发明采用的阵元激光超声聚焦刺激方式为机械聚焦方式，有两种方式，其具体实现如下：

第一种聚焦方式：

在自聚焦透镜表面涂碳化钛二维层状材料或者碳纳米增强介质，使每一束激光都形成一个独立的激光超声阵元，若干所述激光超声阵元组成超声平面波阵面作用在待刺激脑区4上，在待刺激脑区4内部的靶点位置处实现激光超声聚焦。

所述的若干激光超声阵元位于磁场环境下，磁场环境可以是独立的静磁场也可以是磁共振场强下，该聚焦方式与磁场共同作用实现深部电刺激。

在本实施例中，采用相干平面波复合技术，依次发射若干不同偏转角度的平面波辐射所述待刺激脑区4的靶点位置，获得靶点位置处电流密度分布图像。

第二种聚焦方式：

在自聚焦透镜表面涂碳化钛二维层状材料或者碳纳米增强介质，使每一束激光都形成一个独立的激光超声阵元，每一个激光超声阵元作用在待刺激脑区位置，形成若干个独立的聚焦激光超声刺激点，主要用于浅层脑区的刺激。各独立的激光超声阵元在磁场环境下，实现经颅电刺激的功能。

作为一种具体的实施方式，所述的激光器激励系统2产生的激光分成多路光信号，可以是8路、16路、32路或64路等。激光分束器分出的激光直接与传输光纤耦合，耦合进传输光纤中的激光直接由传输光纤另一端的自聚焦透镜中出射。

在磁场环境下，激光超声刺激效果的检测是基于相干平面波复合技术，通过依次激励多个不同偏转角度的平面波去辐射待刺激脑区4，再利用电磁接收系统5实现微弱电磁信号的接收，将各个偏转角度下的电磁信号数据相干叠加实现电离密度成像，从而提高图像重建质量。

具体检测方法如下：将激光超声增强介质直接涂在自聚焦透镜上构成一个具有M阵元的线性激光超声阵列，该线性阵列直接激励待刺激脑区4，电磁接收系统5接收微弱电磁信号，电磁接收系统5接收的电磁信号进一步经过信号检测处理系统6进行放大、滤波以及平均后得到最终的高信噪比的采集信号。当激光超声阵列垂直待刺激脑区4激励时，定义为激光超声阵列的波阵面为0°的平面波，得到该激励下的电磁信号，下一次当激光超声阵列在倾斜角度为θ°时，得到该激励下的电磁信号，最终可以得到多个角度激励下的多个电磁信号，通过对不同角度下的平面波数据进行叠加，就可以得到一幅高质量的反映待刺激脑区电流密度分布的图像。

综上所述，本发明采用激光超声阵列激励涂在自聚焦透镜表面的激光超声增强介质产生超声信号，超声信号在磁场环境下，利用电磁与超声的耦合作用机制，在待刺激脑区形成聚电刺激，同时利用产生的电磁信号进一步可以获得待刺激脑区的电流密度分布信息，因此本发明具有刺激精准、检测分辨率高的优点，具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。