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超声脑刺激系统的发展世纪不锈钢材

发布时间:2019-11-18 03:15:44

超声刺激模式的多样性满足多尺度的神经调控需求

超声波可由不同参数的超声换能器产生,其中心频率、能量强度、脉冲变化规律、能量传导方式以及照射靶点区域的大小均可被灵活调节。上述优点,决定了超声神经调控可被广泛应用于对细胞、脑片、线虫、昆虫、啮齿动物、兔子、犬、羊、非人灵长动物以及人类的研究。因此,超声神经调控技术可满足从机制探索到脑功能疾病的临床干预治疗的多尺度需求。虽然超声神经调控技术已被相关研究人员广泛关注,但是用于超声神经调控的实验系统却发展缓慢。

早期的超声神经调控实验装置通常由体积庞大的分立仪器搭建而成,例如采用函数信号发生器、射频功率放大器和常规尺寸的超声换能器搭建单振元超声刺激平台。这些组合搭建的实验平台具有操作流程复杂、实验参数评估困难的不足,不利于超声神经调控技术在神经科学和临床试验领域的广泛应用。为了促进超声神经调控技术的推广,中国科学院深圳先进技术研究院超声神经调控团队结合自身及同行开展超声神经调控以及研发高端仪器的经验,研制了便携式超声脑刺激系统、声表面波操控系统和阵列式超声脑刺激系统。这些系统已经被应用于十多个实验室,将助力国内外的神经科学研究小组更快地开展超声神经调控研究。

多点动态刺激技术

神经系统在执行任务时,通常需要多个脑区和核团的协同工作。如果仅使用单个小型单振元超声探头,难以实现对多个脑区或核团施加刺激,同时容易使组织因长时间辐射而局部损伤。通过阵列探头和相控阵波束合成技术,可实现对穿颅超声的路径和强度做精确计算,从而实现对超声刺激靶点的多点精确定位,并有效降低非靶点区域被照射损伤的几率。

融合磁共振成像功能

基于磁共振成像技术,可实现对实验对象的解剖结构成像、位移场检测、温度监测和脑功能成像等功能,这些功能将有助于原位评估超声神经调控的作用效果及安全性。例如,磁共振弹性成像技术,通过磁共振相位对比技术检测组织的微小位移,间接计算声场的颅内分布参数,进而实现对聚焦超声焦斑所在位置和范围的检测。磁共振血氧水平依赖脑功能成像,通过检测具有顺磁性的脱氧血红蛋白的含量和血流量增加带来的抗磁性的氧合血红蛋白含量比例的变化,判断脑区被超声辐射而激活或抑制的状态。设计超声神经调控系统时,使用经严格筛选磁共振兼容的材料来加工超声换能器及其附属配件,严格设置刺激系统的空间布局,从而实现超声刺激系统的磁共振兼容功能。图7展示了充分结合磁共振成像优势的基于超声辐射力的深脑刺激与神经调控仪器,该仪器目前正由中国科学院深圳先进技术研究院研发,据报道尚属世界首台大型超声神经调控仪器。

可穿戴系统

对癫痫和帕金森等疾病的治疗,常需要突发或者长期的神经调控干预。如果超声神经调控系统被设计成便携可穿戴的结构,则有助于为相关疾病提供及时有效的干预和治疗手段。超声神经调控具有很高的时间分辨率,结合可穿戴设计的超声辐射装置和具有病症预测功能的闭环控制系统,便可实现应用前景广阔的实时无创神经调控系统。

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