[发明专利]同步进行经颅超声刺激和近红外脑功能成像的系统

说明书

本申请提供了一种同步进行经颅超声刺激和近红外脑功能成像的系统，包括：近红外‑超声耦合器，所述近红外‑超声耦合器安装有超声换能器，所述超声换能器用于产生经颅超声刺激所需的聚焦超声波；近红外脑功能成像装置，所述近红外脑功能成像装置包括近红外血氧数据采集单元，所述近红外血氧数据采集单元集成在所述近红外‑超声耦合器的远端，从而所述近红外脑功能成像装置同步采集被超声刺激部位的近红外血氧数据；其中，所述近红外血氧数据采集单元包括光源模块和光电探测器模块，所述光源模块用于发射多波长近红外光波，所述光电探测器模块用于接收近红外光波信号。该系统可以同步进行经颅超声刺激和检测被刺激部位的神经活动。

技术领域

本发明涉及神经调控和脑功能检测领域，特别涉及一种同步进行经颅超声刺激和近红外脑功能成像的系统。

背景技术

经颅超声刺激(TUS)是使用特定参数的低频聚焦超声波来刺激大脑内部特定的神经或功能区域，以达到调制脑神经活动的一种技术。在动物实验研究中，经颅超声刺激可通过植入或贴在脑皮层的电极来检测，也可通过开颅窗的光学成像或功能磁共振成像来检测。但在人脑的研究中，考虑到植入电极或开颅窗需要手术操作，经颅超声刺激的神经调控效应检测主要是通过在超声刺激前的基线阶段及超声刺激后进行脑电实验来检测，或者通过功能磁共振成像来检测，或通过受试者的多次行为学实验来测试。但这些检测方法都存在局限性，在超声刺激前后的脑电实验无法同步地获得超声刺激的即刻神经调控效应，功能磁共振成像的时间分辨率低也无法提供高时间分辨率的神经调控效应检测，且功能磁共振成像的成本高并要求超声刺激系统进行磁共振兼容设计。并且在经颅超声刺激设备使用时，需要使超声波在传导通路维持上较低的声强损耗，尽量减少在传导通路上的额外器件。这使得现有的脑功能检测设备和经颅超声刺激系统之间无法简单的整合到一起，不便于同步观测超声刺激对脑活动的即时效应。总的来说，在人脑的研究中，经颅超声刺激的神经调控效应尚缺乏同步的、非侵入式的、便捷的、定量化的神经调控效应检测技术和装置。

相比于目前成熟的经颅磁刺激(TMS)等神经调控技术而言，经颅超声刺激 (TUS)技术的发展至今仍处于早期阶段，经颅超声神经调控的参数需要进一步实验测试与优化，相关实验范式还不够成熟，经颅超声刺激的调控效应仍有待进一步研究，特别是缺乏非侵入式的便捷的能同步检测经颅超声对人脑刺激的神经调控效应的技术和方法。因此有必要发展专用于经颅超声刺激的神经活动和脑功能检测技术和装置，为经颅超声刺激提供实时便捷的调控效应检测，满足脑科学研究和临床治疗的需求。

与当前脑功能检测的主要技术手段如功能磁共振成像技术(fMRI)、正电子发射断层成像技术(PET)等相比，基于近红外光谱的近红外脑功能光谱成像 (fNIRS)具有方便易携、适用性广、响应及时等优良特征，已在脑科学研究中广泛应用。近红外光谱技术作为一项非侵入式光学监测手段，其应用范围越来越普遍、是一种便捷高效的脑功能检测手段。

现有的非侵入式人脑神经活动检测技术主要有脑电图(EEG)、脑磁图 (MEG)、功能磁共振(fMRI)、近红外脑功能光谱成像(fNIRS)，这些技术各有优缺点。在进行经颅超声神经调控效应检测时，记录脑电需要在脑电电极和头皮之间涂抹导电膏且脑电电极尺寸较大，而超声换能器的尺寸也较大且需要在换能器和头皮之间涂抹超声耦合剂(使得头皮和换能器之间没有空气，减少超声波传播过程中的衰减)，这导致无法把用于发射超声波的超声换能器叠加在脑电电极上(空间位置重叠)，从而无法同步检测被超声直接刺激的脑区的神经活动。脑磁图和功能磁共振成像用于同步检测经颅超声刺激时，要求经颅超声刺激系统进行专门的磁兼容设计，且脑磁图系统也和超声换能器存在空间重叠的问题；同时，脑磁图和功能磁共振成像设备庞大、价格贵、运行维护成本高、不能便携。与这些技术相比较，近红外脑功能光谱成像具有经济、便携、对使用环境要求低等优点，已被广泛用于脑功能研究。