CN107510900A - 一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置及方法，该装置包括：第一信号发生器，用于产生预设的方波形参数的信号；第二信号发生器，用于在所述第一信号发生器输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号；功率放大器，用于将所述第二信号发生器产生的脉冲信号进行功率放大，并激励超声换能器产生超声刺激波；超声换能器，用于接收所述功率放大器输出的信号并转换产生所述超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激，本发明通过刺激前额叶而增加海马体的BDNF表达水平，为多种神经衰退性疾病的治疗提供了途径。

Description

一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置及方法
技术领域
本发明涉及经颅超声刺激神经调控技术领域，特别是涉及一种经颅超声刺激增加神经营养因子(Brain Derived Neurotrophic Factor，脑源性神经营养因子)表达的装置及方法。
背景技术
经颅超声刺激作为新兴的大脑功能调控技术，相较于现常用的神经调控技术(脑深部电刺激、经颅直流电刺激、经颅磁刺激等)，具有无创性、高空间分辨率、穿透深度高、易与其他技术相结合等优点，可对特定功能区域进行靶向刺激，因此引起了众多研究人员的关注，应用前景被广泛看好。近年来，超声刺激技术研究领域不断取得重大进展，已有实验证明经颅超声刺激不仅能诱发或抑制神经电活动，还可以通过刺激海马体增加神经新生以及BDNF的表达水平。以上研究表明经颅超声神经刺激作为一种新兴的神经调控技术有着广阔的发展和应用前景。
BDNF在神经***中广泛表达，对神经元的生存、生长、分化和功能起着重要的作用，因此BDNF可以增加与学***，但是完整的脑血屏障阻碍了BDNF作为成熟的蛋白质进入脑组织，进而减弱治疗效果。现有的神经调控技术也较难准确地直接刺激位于深部脑区的海马，从而影响其提高BDNF水平的效能。因此，本发明提出通过刺激浅表脑区以增加位于深部的海马区的BDNF表达的方法，以为提高中枢***BDNF水平提供一种简单便捷可靠的方法。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置及方法，以通过刺激前额叶而增加海马体的BDNF表达水平，为多种神经衰退性疾病的治疗提供了途径。
为达上述及其它目的，本发明提出一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，包括：
第一信号发生器，用于产生预设的方波形参数的信号；
第二信号发生器，用于在所述第一信号发生器输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号；
功率放大器，用于将所述第二信号发生器产生的脉冲信号进行功率放大，并激励超声换能器产生超声刺激波；
超声换能器，用于接收所述功率放大器输出的信号并转换产生所述超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激。
进一步地，所述装置还包括换能器-头皮耦合模块，用于将所述超声刺激波精确定位至脑部区域。
进一步地，所述换能器-头皮耦合模块采用准直器，以将所述超声换能器产生的低强度超声通过所述准直器精确定位到脑部区域。
进一步地，经颅超声刺激的所述脑部区域为前额叶。
进一步地，所述第一信号发生器为函数信号发生器，其输出信号的频率为1kHz～3kHz。
进一步地，所述第二信号发生器为函数信号发生器，其输出的脉冲信号的基频为0.35MHz～0.75MHz。
进一步地，所述超声刺激波的超声刺激参数为：空间峰值脉冲峰值声强为1～8W/cm2，脉冲重复频率为1kHz～3kHz。
为达到上述目的，本发明还提供一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的方法，包括如下步骤：
步骤一，通过信号发生器产生脉冲式的电压信号；
步骤二，通过功率放大器将步骤一产生的脉冲信号放大至超声换能器所需的高压脉冲信号；
步骤三，利用超声换能器在功率放大器输出的高压脉冲信号的驱动下产生超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激。
进一步地，于步骤一中，先利用第一信号发生器产生预设的方波形参数的信号，再利用第二信号发生器在所述第一信号发生器输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号。
进一步地，于步骤三中，采用换能器-头皮耦合模块将所述超声刺激波精确定位至脑部区域。
与现有技术相比，本发明提出一种经颅超声刺激增加脑源性神经影响因子表达的方法，通过函数信号器产生脉冲式的电压信号，再经功率放大器放大至超声换能器所需的高压脉冲信号，而后通过超声换能器得到超声刺激信号，对前额叶脑组织进行刺激，实现了高空间分辨率且无创地提高特定脑区中BDNF的表达的目的。
附图说明
图1为本发明一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置的***结构图；
图2为本发明具体实施例中超声参数示意图；
图3为本发明一种经颅超声刺激增加脑源性神经营养因子表达的方法的步骤流程图；
图4为本发明之经颅超声刺激增加脑源性神经营养因子表达的方法的蛋白质分析结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置的***结构图，图2为本发明具体实施例中超声参数示意图。如图1及图2所示，本发明一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的***，包括：第一信号发生器101、第二信号发生器102、功率放大器103、超声换能器104。
其中，第一信号发生器101，用于产生预设的方波形参数的信号，在本发明具体实施例中，第一信号发生器101为函数发生器，其具体参数如下：内触发模式，触发间隔为1s～3s，每次触发产生的脉冲信号包含方波的个数为100～600，脉冲重复频率为1KHz～3kHz；
第二信号发生器102，用于在第一信号发生器101输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号，在本发明具体实施例中，第二信号发生器102也为函数发生器，其具体参数如下：正弦波频率为0.35MHz～0.75MHz，选择该频率是因为这个频率属于无创的经颅超声中最优的超声频率范围0.35MHz～0.7MHz，该频率范围内的超声信号能够在相对较小的衰减的情况下有效地透过颅骨传递至脑组织，刺激脑神经，单个脉冲包含的正弦波的个数为70～250。
功率放大器103，用于将第二信号发生器102产生的脉冲信号进行功率放大，并激励超声换能器104产生超声刺激波。具体地，功率放大器103将峰值为5V的刺激信号线性放大至高压脉冲信号，驱动超声换能器104发出超声刺激信号。
超声换能器104，用于接收功率放大器103输出的信号并转换产生超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激。在本发明具体实施例中，超声波的声强为1～8W/cm2(空间峰值脉冲峰值声强)，脉冲重复频率为1kHz～3kHz。由于前额叶区域涉及规划复杂的认知行为，参与记忆、判断、分析、奖励***，压力反应等认知活动，而且与中枢其他部位(如海马体等)有广泛的神经连接，位置相对表浅，方便刺激，本发明具体实施例中，超声换能器104超声刺激的刺激部位为前额叶脑区，即超声换能器104产生的低强度超声到达前额叶，并且在脑表面涂以耦合剂，从而对前额叶脑组织进行刺激，以增加海马体的BDNF的表达水平，但需说明的是，本发明用超声刺激增强BDNF水平的方法不仅限于刺激前额叶。在本发明具体实施例中，超声刺激前额叶时长为15分钟/天，共连续刺激14天。
优选地，本发明之经颅超声刺激增加脑源性神经营养因子表达的装置还包括换能器-头皮耦合模块，用于将超声刺激信号精确定位至(空间分辨率可达2mm)脑部区域，在本发明具体实施例中，换能器-头皮耦合模块可采用不同直径的准直器，以将超声刺激信号精确定位至不同脑部区域，如超声换能器产生的低强度超声通过准直器到达前额叶，并且在脑表面涂以耦合剂，从而对前额叶脑组织进行刺激，以增加海马体的BDNF的表达水平。
图3为本发明一种经颅超声刺激增加脑源性神经营养因子表达的方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种经颅超声刺激增加脑源性神经营养因子表达的方法，包括如下步骤：
步骤301，通过信号发生器产生脉冲式的电压信号。具体地，于步骤301中，首先利用第一信号发生器产生预设的方波形参数的信号，再利用第二信号发生器在第一信号发生器输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号；在本发明具体实施例中，第一信号发生器为函数发生器，其具体参数如下：内触发模式，触发间隔为1s～3s，每次触发产生的脉冲信号包含方波的个数为100～600，脉冲重复频率为1KHz～3kHz；第二信号发生器也为函数发生器，其具体参数如下：正弦波频率为0.35MHz～0.75MHz；
步骤302，通过功率放大器将步骤301产生的脉冲信号放大至超声换能器所需的高压脉冲信号。具体地，于步骤302中，利用功率放大器将峰值为5V的刺激信号线性放大至高压脉冲信号，驱动超声换能器发出超声刺激信号；
步骤303，利用超声换能器在功率放大器输出的高压脉冲信号的驱动下产生超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激。在本发明具体实施例中，超声波的声强为1～8W/cm2(空间峰值脉冲峰值声强)，脉冲重复频率为1kHz～3kHz。由于前额叶区域涉及规划复杂的认知行为，参与记忆、判断、分析、奖励***，压力反应等认知活动，而且与中枢其他部位(如海马体等)有广泛的神经连接，位置相对表浅，方便刺激，本发明具体实施例中，超声换能器超声刺激的刺激部位为前额叶脑区，即超声换能器产生的低强度超声到达前额叶，并且在脑表面涂以耦合剂，从而对前额叶脑组织进行刺激，以增加海马体的BDNF的表达水平，但需说明的是，本发明用超声刺激增强BDNF水平的方法不仅限于刺激前额叶。在本发明具体实施例中，超声刺激前额叶时长为15分钟/天，共连续刺激14天。
图4为本发明之经颅超声刺激增加脑源性神经营养因子表达的方法的蛋白质分析结果图。图4表明对比于不进行超声刺激的脑组织，接受过超声刺激的脑组织的BDNF表达水平显著提升
综上所述，本发明提出一种经颅超声刺激增加脑源性神经影响因子表达的方法，通过函数信号器产生脉冲式的电压信号，再经功率放大器放大至超声换能器所需的高压脉冲信号，而后通过超声换能器得到超声刺激信号，对前额叶脑组织进行刺激，实现了高空间分辨率且无创地提高特定脑区中BDNF的表达的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)不需要通过血脑屏障，直接提高海马体的BDNF表达水平；
2)具有毫米级的高空间分辨率；
3)使用低强度超声刺激；
4)选用易于穿透颅骨的0.5MHz超声刺激信号；
5)选择刺激位置相对表浅的前额叶而达到提高位置相对较深的海马体的BDNF表达水平，这相对于直接刺激位于深部的海马体来提高其BDNF表达更为简单便捷可靠；
6)本发明属于安全无创的超声神经调控技术。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，包括：
第一信号发生器，用于产生预设的方波形参数的信号；
第二信号发生器，用于在所述第一信号发生器输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号；
功率放大器，用于将所述第二信号发生器产生的脉冲信号进行功率放大，并激励超声换能器产生超声刺激波；
超声换能器，用于接收所述功率放大器输出的信号并转换产生所述超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激。
2.如权利要求1所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，其特征在于：所述装置还包括换能器-头皮耦合模块，用于将所述超声刺激波精确定位至脑部区域。
3.如权利要求2所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，其特征在于：所述换能器-头皮耦合模块采用准直器，以将所述超声换能器产生的低强度超声通过所述准直器精确定位到脑部区域。
4.如权利要求3所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，其特征在于：经颅超声刺激的所述脑部区域为前额叶。
5.如权利要求1所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，其特征在于：所述第一信号发生器为函数信号发生器，其输出信号的频率为1kHz～3kHz。
6.如权利要求1所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，其特征在于：所述第二信号发生器为函数信号发生器，其输出的脉冲信号的基频为0.35MHz～0.75MHz。
7.如权利要求1所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的装置，其特征在于，所述超声刺激波的超声刺激参数为：空间峰值脉冲峰值声强为1～8W/cm2，脉冲重复频率为1kHz～3kHz。
8.一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的方法，包括如下步骤：
步骤一，通过信号发生器产生脉冲式的电压信号；
步骤二，通过功率放大器将步骤一产生的脉冲信号放大至超声换能器所需的高压脉冲信号；
步骤三，利用超声换能器在功率放大器输出的高压脉冲信号的驱动下产生超声刺激波，实现对脑部区域的超声刺激。
9.如权利要求8所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的方法，其特征在于：于步骤一中，先利用第一信号发生器产生预设的方波形参数的信号，再利用第二信号发生器在所述第一信号发生器输出的方波的触发下产生预设的正弦波形参数的脉冲信号。
10.如权利要求8所述的一种经颅超声刺激增加神经营养因子表达的方法，其特征在于：于步骤三中，采用换能器-头皮耦合模块将所述超声刺激波精确定位至脑部区域。
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