CN111529970B - 一种头戴式多通道超声神经刺激装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种头戴式多通道超声神经刺激装置及方法，包括放置在被检测对象头顶的头罩；安装在头罩上的3个以上的激励通道，该激励通道包括电容式微机械超声换能器和独立的信号线；设置在头罩上的公共端；经过公共端与电容式微机械超声换能器的信号线连接的控制端；电容式微机械超声换能器包括多个CMUT超声换能阵列；CMUT超声换能阵列包括多个CMUT阵元；控制端包括控制器；与控制器连接的脉冲产生电路；与脉冲产生电路连接的高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路；与高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路连接的阵元选通电路；阵元选通电路与CMUT超声换能阵列连接；控制器通过相控阵调制方式控制CMUT阵元的超声波聚焦点。

Description

一种头戴式多通道超声神经刺激装置及方法
技术领域
本申请涉及神经调控技术领域，具体而言，涉及一种头戴式多通道超声神经刺激装置及方法。
背景技术
超声神经调控技术是一种新型的脑刺激技术，相对于其他传统神经调控技术，具有方向性强、穿透深度大、靶点控制准确和无创等优点，近年来受到了神经科学领域学者的关注。现有技术中，专利号为201610326489.0的专利申请公开了“可穿戴经颅超声神经刺激与电生理记录联合***与方法”，但是其使用的是单阵元非聚焦超声换能器，无法对多个脑区和核团施加能量集中的刺激。专利号为201910945471.3的专利申请公开了“一种用于神经调控的便携式双通道经颅超声刺激装置”，使用了需要谐振阻抗匹配单元的压电式超声换能器作为探头，不利于装置微型化，并且只实现了双通道的神经调控，不便于对多个脑区和核团的聚焦靶点进行动态调节。专利号为201710771550.7的专利申请公开了“一种头戴式超声传导装置”，其使用了需要匹配层的压电式超声换能器，实现了一种用于小动物头戴式神经装置，不能实现用于人脑的超声神经刺激研究且结构更为复杂。专利号为201910665447.3的专利申请公开了“一种神经调控装置及方法”，使用单阵元压电式超声换能器结合导波模块，实现超声波束的定向导波、定点导波。但需要手动更换导波模块，才能实现对脑部不同位置的神经核团进行刺激；因此，超声神经调控领域内尚缺乏一种面向人体使用的聚焦靶点可动态调节的头戴式超声神经刺激装置。
发明内容
本申请的目的在于提供一种头戴式多通道超声神经刺激装置及方法，用以实现靶点可动态调节，对脑区内多个位置的神经核团进行动态神经刺激的技术效果。
第一方面，本申请实施例提供了一种头戴式多通道超声神经刺激装置，包括放置在被检测对象头顶的头罩；安装在所述头罩上的3个以上的激励通道，所述激励通道包括电容式微机械超声换能器和独立的信号线；设置在所述头罩上的公共端；经过所述公共端与所述电容式微机械超声换能器的信号线连接的控制端，所述电容式微机械超声换能器通过所述信号线与所述控制端连接；所述电容式微机械超声换能器包括多个CMUT超声换能阵列；所述CMUT超声换能阵列包括多个CMUT阵元；所述CMUT阵元内的CMUT单元并联在一起；所述控制端包括控制器；与所述控制器连接的脉冲产生电路；与所述脉冲产生电路连接的高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路；与所述高压脉冲驱动电路和所述直流偏置电压产生电路连接的阵元选通电路；所述阵元选通电路与CMUT超声换能阵列连接；所述控制器通过相控阵调制方式控制CMUT阵元的超声波聚焦点；所述头罩包括主体和设置在所述主体上的多条安装带，所述主体围绕所述被检测对象头顶形成一个激励区域；所述安装带覆盖在所述激励区域上；
所述激励通道的数量为3个或5个；所述激励通道的数量为3个时，安装带在主体的的激励区域内呈Y形分布；在安装带的每一条边上均安装一个电容式微机械超声换能器，3个电容式微机械超声换能器130将激励区域均分为3个区域；所述激励通道的数量为5个时，激励区域设置3条安装带，且3条安装带等间距设置；其中，中间的安装带上设置一个CMUT换能器，该电容式微机械超声换能器设置在检测对象头顶激励区域的中心位置；上下两条安装带各设2个电容式微机械超声换能器且电容式微机械超声换能器放置在检测对象头顶的左、右脑两侧。
可选地，所述头戴式多通道超声神经刺激装置还包括与所述控制器连接的人机交互面板。
可选地，所述CMUT超声换能阵列为矩形、圆形或者多边形；所述CMUT阵元为矩形、圆形或者多边形。
可选地，所述电容式微机械超声换能器包括基底、绝缘层、真空腔、振动薄膜、顶电极和保护层；所述基底上层为绝缘层；所述绝缘层上层为真空腔；所述真空腔上层为振动薄膜；所述振动薄膜上层为顶电极；所述顶电极的半径为所述振动薄膜的一半；所述保护层覆盖在所述顶电极和所述振动薄膜上。
第二方面，本申请实施例提供一种头戴式多通道超声神经刺激方法，包括：控制器根据神经刺激的需求选通实施超声神经刺激的通道并设定激励脉冲的参数；脉冲产生电路根据所述参数产生CMUT超声换能阵列中各个阵元的超声脉冲参数和延时参数后发送给高压脉冲驱动电路并向直流偏置电压产生电路发送同步信号；所述直流偏置电压产生电路根据所述同步信号为所述CMUT超声换能阵列提供进入工作点所需的偏置高压；所述高压脉冲驱动电路根据设置的脉冲幅值参数将所述脉冲产生电路所产生的带延时信息的超声脉冲进行电压放大，为所述CMUT超声换能阵列提供高压激励脉冲；所述阵元选通电路根据所述需求将所述偏置高压和所述高压激励脉冲加载到需要运行的所述CMUT超声换能阵列上，以相控阵调制的方式控制所述CMUT超声换能阵列。
可选地，所述偏置高压提前于所述高压激励脉冲加载到所述CMUT超声换能阵列上，并在所述高压激励脉冲结束后取消。
本申请能够实现的有益效果是：通过控制端的控制器可以根据神经刺激的需求，选通实施超声神经刺激的通道并设定激励脉冲的参数；脉冲产生电路根据设置的参数可以产生CMUT超声换能阵列中不同阵元的超声脉冲参数和延时参数并传输给高压脉冲驱动电路，同时也可以产生脉冲同步信号发送给直流偏置电压产生电路；高压脉冲驱动电路根据脉冲幅值参数，将脉冲产生电路所产生的带延时信息的超声脉冲进行电压放大，并在直流偏置电压产生电路产生各个CMUT阵元进入工作点所需的偏置高压后，通过阵元选通电路加载到需要工作的CMUT阵元上；控制器通过相控阵的方式控制各个CMUT阵元的超声波聚焦点，靶点可动态调节，可以对脑区内多个位置的神经核团进行动态神经刺激。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种头戴式多通道超声神经刺激装置顶视图I；
图2为本申请实施例提供的一种超声神经刺激装置结构框图；
图3为本申请实施例提供的一种头戴式多通道超声神经刺激装置顶视图II；
图4为本申请实施例提供的一种头戴式多通道超声神经刺激装置顶视图III；
图5为本申请实施例提供的CMUT超声换能阵列结构示意图；
图6为本申请实施例提供的CMUT单元的内部结构剖视图；
图7为本申请实施例提供的超声激励控制流程示意图；
图8为本申请实施例提供的直流偏置电压与超声激励脉冲时序图；
图9为本申请实施例提供的超声换能器神经刺激实施方式示意图。
图标：10-头戴式多通道超声神经刺激装置；100-头罩；110-主体；120-安装带；130-电容式微机械超声换能器；140-公共端；150-CMUT超声换能阵列；200-控制端；210-控制器；220-脉冲产生电路；230-高压脉冲驱动电路；240-直流偏置电压产生电路；250-阵元选通电路；300-被检测对象。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1、图2、图3和图4，图1为本申请实施例提供的一种头戴式多通道超声神经刺激装置顶视图I；图2本申请实施例提供的一种超声神经刺激装置结构框图；图3为本申请实施例提供的一种头戴式多通道超声神经刺激装置顶视图II；图4为本申请实施例提供的一种头戴式多通道超声神经刺激装置顶视图III。
如图1和图2所示，本申请实施例提供的头戴式多通道超声神经刺激装置10包括放置在被检测对象300头顶的头罩100；安装在头罩100上的3个以上的激励通道，激励通道包括电容式微机械超声换能器130(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)和独立的信号线；设置在头罩100上的公共端140；经过公共端140与电容式微机械超声换能器130的信号线连接的控制端200，电容式微机械超声换能器130通过信号线与控制端200连接；电容式微机械超声换能器130包括多个CMUT超声换能阵列150；CMUT超声换能阵列150包括多个CMUT阵元；CMUT阵元内的CMUT单元并联在一起；控制端200包括控制器210；与控制器210连接的脉冲产生电路220；与脉冲产生电路220连接的高压脉冲驱动电路230和直流偏置电压产生电路240；与高压脉冲驱动电路230和直流偏置电压产生电路240连接的阵元选通电路250；阵元选通电路250与CMUT超声换能阵列150连接；控制器210通过相控阵调制方式控制CMUT阵元的超声波聚焦点。
头罩100包括主体100和设置在主体100上的多条安装带120，主体100围绕被检测对象300头顶形成一个激励区域；安装带120覆盖在激励区域上。
为了方便设置实施超声神经刺激的通道并设定激励脉冲的参数，本申请实施例提供的头戴式多通道超声神经刺激装置10还包括与控制器210连接的人机交互面板，该人机交互面板可以选用触控平板电脑，或者具备输入和显示功能的其他电子设备。在进行超声神经刺激之前，工作人员可以先在人机交互面板上设置实施超声神经刺激的通道和对应的激励脉冲的参数。
头罩100上的激励通道可以设置为6个(即头罩100上对应设置6个电容式微机械超声换能器130)，各个电容式微机械超声换能器130经过头罩100上的公共端140与控制端200连接；激励区域可以设置3条安装带120且3条安装带120等间距设置；每条安装带120上可以设置2个电容式微机械超声换能器130，且两个电容式微机械超声换能器130对称设置在检测对象头顶的左、右脑两侧。需要说明的是，激励通道的数量也可以设置为4个、8个等，具体数量可以不做限制；只需能够满足电容式微机械超声换能器130放置在检测对象头顶的左、右脑两侧即可。
如图3所示，头罩100上的激励通道可以设置为3个(即头罩100上对应设置3个电容式微机械超声换能器130)；安装带120在主体100的的激励区域内呈Y形分布；在安装带120的每一条边上均安装一个电容式微机械超声换能器130，3个电容式微机械超声换能器130将激励区域均分为3个区域。
如图4所示，头罩100上的激励通道可以设置为5个(即头罩100上对应设置5个电容式微机械超声换能器130)；激励区域可以设置3条安装带120，且3条安装带120等间距设置；其中，中间的安装带120上设置一个CMUT换能器，该电容式微机械超声换能器130设置在检测对象头顶激励区域的中心位置；上下两条安装带120各设2个电容式微机械超声换能器130且电容式微机械超声换能器130放置在检测对象头顶的左、右脑两侧。
请参看图5和图6，图5为本申请实施例提供的CMUT超声换能阵列结构示意图；图6为本申请实施例提供的CMUT单元的内部结构剖视图。
如图5所示，本申请实施例提供的CMUT超声换能阵列150可以为矩形，该CMUT超声换能阵列150包括由Y行、X列的CMUT阵元组成，各阵元之间相互独立，控制器210通过独立的信号线进行单独控制。1个阵元是由多个CMUT单元排列组成，同一阵元内的所有CMUT单元并联在一起，受同一电路控制。CMUT单元可以为圆形，CMUT阵元由N行、M列的圆形CMUT单元组成。超声换能器阵列在Y×X个驱动电路控制下，通过相控阵方式使得不同位置的CMUT阵元输出的超声波具有不同延时，实现超声波束在不同位置上的聚焦。其中X、Y、M、N为大于1的整数。
需要说明的是，CMUT超声换能阵列150也可以为圆形或者多边形(例如正六边形)；CMUT单元也可以为矩形或者多边形(例如正六边形)，具体的搭配可以根据实际应用需求进行设置，并不限定于上述方式。
如图6所示，电容式微机械超声换能器130包括基底、绝缘层、真空腔、振动薄膜、顶电极和保护层；基底上层为绝缘层；绝缘层上层为真空腔；真空腔上层为振动薄膜；振动薄膜上层为顶电极；顶电极的半径为振动薄膜的一半；保护层覆盖在顶电极和振动薄膜上，使用上述结构的电容式微机械超声换能器130既降低了换能器的结构复杂度，也极大的减小了换能器的体积。
请参看图7、图8和图9；图7为本申请实施例提供一种头戴式多通道超声神经刺激方法流程示意图；图8为本申请实施例提供的直流偏置电压与超声激励脉冲时序图；图9为本申请实施例提供的超声换能器神经刺激实施方式示意图。
本申请实施例提供的头戴式多通道超声神经刺激方法包括以下步骤：
步骤S101，控制器根据神经刺激的需求选通实施超声神经刺激的通道并设定激励脉冲的参数。
在进行超声神经刺激之前，工作人员可以根据神经刺激的需求在人机交互面板上设置实施超声神经刺激的通道和所需的激励参数。
步骤S102，脉冲产生电路根据所述参数产生CMUT超声换能阵列中各个阵元的超声脉冲参数和延时参数后发送给高压脉冲驱动电路并向直流偏置电压产生电路发送同步信号。
步骤S103，所述直流偏置电压产生电路根据所述同步信号为所述CMUT超声换能阵列提供进入工作点所需的偏置高压；所述高压脉冲驱动电路230根据设置的脉冲幅值参数将所述脉冲产生电路所产生的带延时信息的超声脉冲进行电压放大，为所述CMUT超声换能阵列提供高压激励脉冲。
步骤S104，所述阵元选通电路根据所述需求将所述偏置高压和所述高压激励脉冲加载到需要运行的所述CMUT超声换能阵列上，以相控阵调制的方式控制所述CMUT超声换能阵列。
需要说明的是，为了更为及时而精准地启动CMUT超声换能阵列的同时降低功耗，偏置高压应提前于高压激励脉冲加载到CMUT超声换能阵列上，并在高压激励脉冲结束后取消。
综上所述，本申请实施例提供一种头戴式多通道超声神经刺激装置及方法，包括放置在被检测对象头顶的头罩；安装在头罩上的3个以上的激励通道，激励通道包括电容式微机械超声换能器和独立的信号线；设置在头罩上的公共端；经过公共端与电容式微机械超声换能器连接的控制端，电容式微机械超声换能器通过信号线与控制端连接；电容式微机械超声换能器包括多个CMUT超声换能阵列；CMUT超声换能阵列包括多个CMUT阵元；CMUT阵元内的CMUT单元并联在一起；控制端包括控制器；与控制器连接的脉冲产生电路；与脉冲产生电路连接的高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路；与高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路连接的阵元选通电路；阵元选通电路与CMUT超声换能阵列连接；控制器通过相控阵调制方式控制CMUT阵元的超声波聚焦点，实现了靶点动态调节，可以对脑区内多个位置的神经核团进行动态神经刺激。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种头戴式多通道超声神经刺激装置，其特征在于，包括：放置在被检测对象头顶的头罩；安装在所述头罩上的3个以上的激励通道，所述激励通道包括电容式微机械超声换能器CMUT和独立的信号线；设置在所述头罩上的公共端；经过所述公共端与所述电容式微机械超声换能器的信号线连接的控制端；所述电容式微机械超声换能器包括多个CMUT超声换能阵列；CMUT超声换能阵列包括多个CMUT阵元；CMUT阵元内的CMUT单元并联在一起；控制端包括控制器；与控制器连接的脉冲产生电路；与脉冲产生电路连接的高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路，且所述偏置电压提前于所述高压脉冲加载到所述CMUT超声换能阵列上，并在所述高压脉冲结束后取消；与高压脉冲驱动电路和直流偏置电压产生电路连接的阵元选通电路；阵元选通电路与CMUT超声换能阵列连接；控制器通过相控阵调制方式控制CMUT阵元的超声波聚焦点；所述头罩包括主体和设置在所述主体上的多条安装带，所述主体围绕所述被检测对象头顶形成一个激励区域；所述安装带覆盖在所述激励区域上；
所述激励通道的数量为3个或5个；所述激励通道的数量为3个时，安装带在主体的激励区域内呈Y形分布；在安装带的每一条边上均安装一个电容式微机械超声换能器，3个电容式微机械超声换能器将激励区域均分为3个区域；所述激励通道的数量为5个时，激励区域设置3条安装带，且3条安装带等间距设置；其中，中间的安装带上设置一个CMUT换能器，该电容式微机械超声换能器设置在检测对象头顶激励区域的中心位置；上下两条安装带各设2个电容式微机械超声换能器且电容式微机械超声换能器放置在检测对象头顶的左、右脑两侧；
所述CMUT超声换能阵列为矩形、圆形或者多边形；所述CMUT阵元为矩形、圆形或者多边形；
当所述CMUT超声换能阵列为矩形时，该CMUT超声换能阵列由Y行、X列的CMUT阵元组成，各阵元之间相互独立，控制器通过独立的信号线进行单独控制；1个阵元是由多个CMUT单元排列组成，同一阵元内的所有CMUT单元并联在一起，受同一电路控制；当CMUT单元为圆形时，CMUT阵元由N行、M列的圆形CMUT单元组成；超声换能器阵列在Y×X个驱动电路控制下，通过相控阵方式使得不同位置的CMUT阵元输出的超声波具有不同延时，实现超声波束在不同位置上的聚焦；其中X、Y、M、N为大于1的整数；
所述电容式微机械超声换能器包括基底、绝缘层、真空腔、振动薄膜、顶电极和保护层；所述基底上层为绝缘层；所述绝缘层上层为真空腔；所述真空腔上层为振动薄膜；所述振动薄膜上层为顶电极；所述顶电极的半径为所述振动薄膜的一半；所述保护层覆盖在所述顶电极和所述振动薄膜上；
所述头戴式多通道超声神经刺激装置的使用方法包括：
控制器根据神经刺激的需求选通实施超声神经刺激的通道并设定激励脉冲的参数；
脉冲产生电路根据所述参数产生CMUT超声换能阵列中各个阵元的超声脉冲参数和延时参数后发送给高压脉冲驱动电路并向直流偏置电压产生电路发送同步信号；
所述直流偏置电压产生电路根据所述同步信号为所述CMUT超声换能阵列提供进入工作点所需的偏置高压；所述高压脉冲驱动电路根据设置的脉冲幅值参数将所述脉冲产生电路所产生的带延时信息的超声脉冲进行电压放大，为所述CMUT超声换能阵列提供高压激励脉冲；所述偏置电压提前于所述高压激励脉冲加载到所述CMUT超声换能阵列上，并在所述高压激励脉冲结束后取消；
所述阵元选通电路根据所述需求将所述偏置高压和所述高压激励脉冲加载到需要运行的所述CMUT超声换能阵列上，以相控阵调制的方式控制所述CMUT超声换能阵列。
2.根据权利要求1所述的头戴式多通道超声神经刺激装置，其特征在于，所述头戴式多通道超声神经刺激装置还包括与所述控制器连接的人机交互面板。
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