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经颅超声刺激人脑海马的数值仿真研究

应用声学 2023年第2期42卷 393-405页

作者：张默涵张艳秋凌子超王佩国菅喜岐天津医科大学生物医学工程与技术学院天津300070 天津医科大学肿瘤医院放疗科天津300070

颞叶癫痫、阿尔兹海默症等神经系统疾病与大脑海马的异常放电相关。近年兴起的经颅超声刺激治疗脑疾病具有无创、能深入脑组织和可调控海马神经元放电的特点。该文基于128阵元相控阵换能器、人头颅CT数据、水体建立超声经颅刺激海马数... 详细信息

颞叶癫痫、阿尔兹海默症等神经系统疾病与大脑海马的异常放电相关。近年兴起的经颅超声刺激治疗脑疾病具有无创、能深入脑组织和可调控海马神经元放电的特点。该文基于128阵元相控阵换能器、人头颅CT数据、水体建立超声经颅刺激海马数值仿真模型,数值仿真优选适应于海马刺激的换能器结构参数,并结合电容模型,探究超声声学参数对海马神经元放电的影响。结果表明曲率半径90 mm、开口半径56 mm、阵元半径2.0 mm、频率0.9 MHz的128阵元相控超声换能器可形成适应于刺激人脑海马大小的焦域;且在超声频率为0.9 MHz时对海马神经元放电有较好的抑制作用;在较小的占空比和较低的空间峰值时间平均声强条件下对神经元放电有较好的抑制作用。

关键词：经颅超声刺激神经刺激相控阵换能器超声参数海马

基于闭环控制的经颅超声刺激调节运动响应和神经活动

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生物医学工程学杂志 2023年第2期40卷 265-271页

作者：董舒寻谢振宇王星冉袁毅燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

闭环经颅超声刺激技术基于实时反馈信号,具备对神经活动进行精准调控的潜力。在本文中,首先记录了不同强度的超声刺激下小鼠的局部场电位(LFP)和肌电(EMG)信号,然后基于数据离线建立了超声强度与小鼠LFP峰值/EMG均值的数学模型,仿真并... 详细信息

闭环经颅超声刺激技术基于实时反馈信号,具备对神经活动进行精准调控的潜力。在本文中,首先记录了不同强度的超声刺激下小鼠的局部场电位(LFP)和肌电(EMG)信号,然后基于数据离线建立了超声强度与小鼠LFP峰值/EMG均值的数学模型,仿真并搭建了PID神经网络控制算法调节小鼠LFP峰值和EMG均值的经颅超声闭环控制系统,实现了小鼠LFP峰值和EMG均值闭环控制。另外,使用广义最小方差控制算法,实现了对小鼠theta振荡功率的闭环控制。结果显示,闭环超声刺激调控后的LFP峰值、EMG均值和theta功率与给定值未见明显差异,说明实现了对小鼠LFP峰值、EMG均值和theta功率明显的控制作用。基于闭环控制算法的经颅超声刺激提供了一种精准调节小鼠电生理信号的直接工具。

关键词：经颅超声刺激闭环控制 PID神经网络控制广义最小方差控制

经颅超声刺激下脑电特征分析与神经元群模型参数估计

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经颅超声刺激下脑电特征分析与神经元群模型参数估计

作者：袁航燕山大学

学位级别：硕士

经颅超声刺激是一种利用超声波进行非侵入性的神经调控技术,因其具有高分辨率、高穿透性和方向性好等特点,近年来被广泛应用到神经科学及康复工程等相关领域的研究中。目前,超声刺激对神经系统的调控作用研究已从实验现象分析、神经信... 详细信息

经颅超声刺激是一种利用超声波进行非侵入性的神经调控技术,因其具有高分辨率、高穿透性和方向性好等特点,近年来被广泛应用到神经科学及康复工程等相关领域的研究中。目前,超声刺激对神经系统的调控作用研究已从实验现象分析、神经信号处理等角度展开,神经计算建模则是通过测量数据逆向建模来分析超声刺激所引起的神经电生理活动及作用机理。神经元群模型能够模拟大脑皮层内众多神经元的电生理活动,结合优化算法拟合超声刺激前后实测脑电信号特征,通过模型参数分析超声刺激对运动皮层神经电活动的调控方式,为研究经颅超声刺激对神经系统的调控机理提供一种新的角度。本文首先介绍了经颅超声刺激的发展现状及作用效应,概述了神经计算模型及其在疾病和脑神经刺激中的应用。提出采用神经元群模型来模拟超声刺激下的脑电信号,进而分析超声刺激对小鼠运动皮层脑节律的调控作用方式。探讨了Jansen＆Rit模型的构建过程及其参数的生理学意义,分析了模型参数的变化对模型输出信号的影响。其次,提出了基于粒子群算法的神经元群模型参数调节方法。通过设置仿真信号与目标信号的峰值频率差作为适应度函数,仿真得到生成脑电特征节律的最优模型参数,进而构建了多动态的神经元群模型。然后,介绍了经颅超声刺激实验平台,并阐述了超声脉冲序列里各参数的含义和超声刺激实验流程;采集了不同超声刺激参数下的脑电信号;通过小波时频和功率谱分析方法,分析超声刺激所引起的诱发反应及刺激前后脑电信号的能量分布和功率变化,将其作为后续参数估计的信号时长与拟合特征的选取依据。最后,运用本文提出的基于粒子群算法的神经元群模型参数估计方法,选取合理的模型估计参数集和适应度函数,构建有效的神经元群模型,分别对超声刺激前和不同超声刺激参数下的脑电信号进行拟合估计。参数估计结果表明,平均突触增益的变化反映了超声刺激对运动皮层的兴奋性作用,膜时间常数的变化表明超声刺激可通过影响细胞膜离子通道和膜结构对运动皮层产生神经调控作用。

关键词：经颅超声刺激神经元群模型脑电信号粒子群算法参数估计

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经颅超声刺激导航系统的设计及应用

经颅超声刺激导航系统的设计及应用

作者：梁丽云上海交通大学

学位级别：硕士

经颅聚焦超声刺激技术作为神经调控领域中的新兴技术,相较传统技术有着空间分辨率高、刺激深度大、无创性和磁共振兼容性等突出优点。它的高空间分辨率和精准刺激需要相应导航系统的支持,但目前经颅超声刺激在导航功能模块上仍处于空白... 详细信息

经颅聚焦超声刺激技术作为神经调控领域中的新兴技术,相较传统技术有着空间分辨率高、刺激深度大、无创性和磁共振兼容性等突出优点。它的高空间分辨率和精准刺激需要相应导航系统的支持,但目前经颅超声刺激在导航功能模块上仍处于空白。因此,本文设计了一款结合经颅超声刺激硬件设备的软件导航系统。该系统能够实时跟踪病人头部及超声换能器的位置,记录超声聚焦刺激的位置及换能器空间位置,实现超声的精准刺激。导航软件系统还可以存储并管理聚焦超声刺激的相关实验项目数据及结果,并支持在不同电脑端运行及记录的移植。系统搭建成功后,我们将结合导航系统的经颅超声聚焦刺激应用于视觉选择性空间注意任务中,通过行为学和脑电研究并验证经颅超声聚焦刺激对视觉空间注意活动的调控作用及可重复性。可重复性实验要求每次实验刺激相同的脑区,避免实验重复时产生的焦点位移误差,因此必须结合高精度的导航系统。我们选取抑制性超声参数,将超声刺激作用于4名被试者的前额叶脑区,记录并分析被试的行为学表现及枕叶脑电信号中的α波能量变化。每位被试共进行3次实验,每次实验间隔1个星期。结果初步表明,施加超声刺激会使被试的反应时间显著增长,空间注意相关的枕叶α波能量的偏侧性减小,表明实验中施加前额叶的经颅抑制性超声刺激能够对参与视觉空间注意的枕叶区域产生抑制性影响,证明了经颅超声刺激的神经调控作用。此外,该抑制性的调控作用在3次实验中均无显著差异,初步证明我们设计的超声导航系统是有效的,经颅超声聚焦刺激的实验具有可重复性。

关键词：经颅超声刺激导航系统神经调控脑电视觉空间注意

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经颅超声刺激在缺血性脑损伤中的保护研究

经颅超声刺激在缺血性脑损伤中的保护研究

作者：郭腾飞上海交通大学

学位级别：硕士

经颅超声刺激是新近发展起来的一种大脑功能刺激技术,该技术通过透过完整的颅骨传递超声能量，能无创地调制大脑的神经活动。本文首先介绍了超声在生物医学中的应用以及经颅超声刺激技术的研究现状及意义，然后介绍了经颅超声刺激系统... 详细信息

经颅超声刺激是新近发展起来的一种大脑功能刺激技术,该技术通过透过完整的颅骨传递超声能量，能无创地调制大脑的神经活动。本文首先介绍了超声在生物医学中的应用以及经颅超声刺激技术的研究现状及意义，然后介绍了经颅超声刺激系统的关键参数以及提高空间分辨率的方法。建立经颅超声系统之后，首先通过经颅脉冲超声刺激SD大鼠的motor及Barrel皮层，研究不同的超声刺激参数调解大脑神经活动的能力;随后，基于中风模型建立之后立即给予超声刺激能够有效地对于保护缺血性脑损伤的假设，设计实验利用经颅超声刺激SD大鼠远端中动脉缺血性模型，通过动物行为学评定运动状况（刺激组(n=10,5.5±2.5)刺激组(13.78%±7.39%)经颅超声刺激对缺血性脑损伤的保护效果，最后通过激光散斑成像技术观测感兴趣区域的血供以及免疫组化测定细胞炎症来研究超声的脑保护的潜在作用机制，提出了血流灌注增强和炎症反应减弱两种可能的保护作用机制。本项目的研究有望揭示经颅超声刺激在卒中后的早期神经保护的作用机理，并为缺血性脑卒中的神经保护提供新的治疗康复方法。

关键词：经颅超声刺激脑卒中康复缺血性脑损伤激光散斑成像

经颅超声刺激对脑卒中患者上肢功能恢复及皮质兴奋性的影响

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华西医学 2023年第6期38卷 828-834页

作者：席悦郭方圆晏光林胡冰涛高鑫傅静张慧张巧俊西安交通大学第二附属医院康复医学科西安710000

目的观察用于初级运动皮质上的经颅超声刺激(transcranial ultrasound stimulation, TUS)对脑卒中患者上肢运动功能恢复的影响,并探讨其机制。方法前瞻性纳入2019年11月-2021年12月西安交通大学第二附属医院康复医学科的缺血性脑卒中... 详细信息

目的观察用于初级运动皮质上的经颅超声刺激(transcranial ultrasound stimulation, TUS)对脑卒中患者上肢运动功能恢复的影响,并探讨其机制。方法前瞻性纳入2019年11月-2021年12月西安交通大学第二附属医院康复医学科的缺血性脑卒中合并偏瘫的住院患者,随机分为真刺激组和假刺激组。所有患者均接受常规药物治疗及康复训练,疗程2周。真刺激组患者还采用TUS治疗,假刺激组的刺激部位及模式与真刺激组相同,但换能器处于非工作模式。比较两组患者治疗前后上肢功能和运动皮质电活动的改变。以Wolf运动功能测试(Wolf Motor Function Test, WMFT)、Jebsen手功能测试(Jebsen Hand Function Test, JHFT)和Fugl-Meyer量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities, FMA-UE)作为上肢运动功能指标;以运动诱发电位(motor evoked potential, MEP)潜伏期、静息运动阈值(resting motor threshold, RMT)、皮质静息期(cortical silent period,CSP)和中枢运动传导时间(central motor conduction time, CMCT)作为反映皮质兴奋性的指标。结果共纳入30例患者,真刺激组和假刺激组均为15例。两组患者的年龄、性别、病程、病变侧、利手、美国国立卫生研究院卒中量表评分、Barthel指数差异均无统计学意义(P>0.05)。治疗前,两组患者的WMFT评分、JHFT时间及FMA-UE评分差异均无统计学意义(P>0.05)。治疗后,两组患者的WMFT评分、FMA-UE评分均较组内治疗前升高,JHFT时间较组内治疗前降低(P刺激组患者治疗前后WMFT评分[(19.2±8.0)vs.(11.8±5.5)分]、JHFT时间[(39.3±20.4)vs.(26.0±15.9)s]及FMA-UE评分[14.0(12.0,16.0)vs. 8.0(7.0,9.0)分]的改善程度均优于假刺激组(P0.05)。治疗后,两组患者的MEP潜伏期、CSP、CMCT及RMT均较组内治疗前降低(P刺激组患者治疗前后CSP[(33.5±12.3)vs.(18.5±5.5)ms]、CMCT[3.5(2.5,5.8)vs.1.8(1.5,3.4)ms]及RMT[(19.2±12.8)%vs.(8.8±8.7)%]的下降程度均大于假刺激组(P0.05)。两组患者在治疗期间均未发生不良反应。结论应用于初级运动皮质上的TUS治疗有助于脑卒中患者的上肢运动功能恢复,作用机制可能与TUS提高患侧大脑的皮质兴奋性有关。

关键词：经颅超声刺激脑卒中上肢功能皮质兴奋性

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低强度经颅超声刺激的闭环控制和神经放电去同步研究

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低强度经颅超声刺激的闭环控制和神经放电去同步研究

作者：龙爱燕山大学

学位级别：硕士

低强度经颅超声刺激(low-intensity transcranial ultrasound stimulation,LITUS)是一种可穿透颅骨、具有选择性、靶向性、可逆性和非侵入性的高精度神经调控技术,国内外研究表明LITUS可以引起脑功能变化,如诱发肌电(electromyography,E... 详细信息

低强度经颅超声刺激(low-intensity transcranial ultrasound stimulation,LITUS)是一种可穿透颅骨、具有选择性、靶向性、可逆性和非侵入性的高精度神经调控技术,国内外研究表明LITUS可以引起脑功能变化,如诱发肌电(electromyography,EMG)和局部场电位(local field potential,LFP),抑制癫痫发作,改变超声参数可实现不同的神经调节功能。超声诱导膜内磷脂双分子层空化的仿真研究结果支持了神经元膜内压电性是超声诱导神经刺激的基础的假说。研究证明了电刺激和经颅磁声刺激可实现耦合神经元放电去同步。为了深入研究LITUS,本文主要分为实验研究和理论研究两个部分,实验研究部分是基于控制算法的超声闭环刺激研究;理论研究部分是基于超声膜内空化的理论模型和神经放电动力学模型的联立来分析去同步作用效果。首先搭建开环实验平台采集不同超声强度下EMG和LFP,构建超声刺激下小鼠肌电或脑电反应过程的被控对象模型,处理数据得到EMG的平均绝对值(MAV)和LFP的峰值(PV),利用Back-propagation(BP)神经网络和最小二乘法建立EMG的MAV,LFP的PV和超声峰峰值间的模型。其次设计不同控制器(PID控制器、免疫反馈控制器和模糊控制器),进行闭环仿真和实验,结果表明基于模糊控制的闭环LITUS能实现小鼠运动反应和神经活动的实时精确调控,它能促进超声刺激在临床治疗中的应用。最后研究超声空化的双层气泡(bilayer sonophore,BLS)修正方程对双神经元Hindmarsh-Rose模型、NW小世界神经网络模型以及癫痫神经元群Jansen-Rit模型神经活动的影响,从神经元微观层面到疾病宏观层面,仿真说明了LITUS可以减弱神经放电的同步性和抑制癫痫发作,这为超声治疗癫痫的最佳参数选择提供了理论研究方法,促进超声刺激在癫痫临床治疗中的应用。综上所述,本文研究成果从闭环实验到理论机制,揭示了低强度经颅超声刺激对于神经系统有调控作用,对于神经放电活动具有去同步作用,为超声调控在临床治疗投入应用提供理论依据。

关键词：经颅超声刺激肌电局部场电位闭环控制神经动力学模型去同步

基于经颅超声刺激的脑调控系统设计及实验研究

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基于经颅超声刺激的脑调控系统设计及实验研究

作者：王勇燕山大学

学位级别：硕士

经颅超声刺激技术是一种利用低强度聚焦超声波作用于脑组织，对神经元产生生物机械效应，影响神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的脑调控技术。与临床使用的神经物理调节技术，如深度脑刺激、经颅磁刺激相比，经颅超声刺激分别具... 详细信息

经颅超声刺激技术是一种利用低强度聚焦超声波作用于脑组织，对神经元产生生物机械效应，影响神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的脑调控技术。与临床使用的神经物理调节技术，如深度脑刺激、经颅磁刺激相比，经颅超声刺激分别具有无损伤与高空间分辨率、高穿透深度的优势，是一种很有应用前景的新脑调控技术。搭建了一套基于经颅超声刺激的动物实验平台，平台主要包含超声波发射与接收器、XYZ三维扫描平台、超声换能器、神经信号采集系统等。根据经颅超声刺激实验中的空间分辨率、声强两个参数要求选择了可聚焦压电式超声换能器。通过电脑上位机软件，可以设定实验中的超声波参数，并显示采集到的数据波形。使用搭建的经颅超声刺激动物实验平台进行小鼠实验。实验一，超声刺激正常小鼠大脑皮层，采集后腿下肢肌电信号，进行小波去噪处理，分析超声刺激前后肌电信号变化。实验结果表明低强度聚焦超声能够刺激运动皮层，进而诱导肌电信号，经颅超声刺激可以进行非侵入式神经调节。实验二，探索经颅超声刺激是否可以减轻帕金森模型小鼠的患病症状。进行分组对照实验，通过丙二醛、过氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等试剂盒测定各组氧化应激参数，通过爬杆实验评估刺激对动物的行为学改变。实验结果表明，经颅超声刺激能够一定程度上改善帕金森小鼠的运动功能，机理可能时超声刺激可以提高其抗氧化能力，减轻神经元氧化性损伤。设计了一套用于人脑神经调节的便携式超声刺激器，通过TFT彩屏可以方便设定超声波相关参数，该刺激器具有多参数可调、实时显示超声波电信号等实用性优点，其主要包含了驱动部分、信号采集部分与人机界面。本设计将为超声脑调控系统应用于临床研究打下基础。

关键词：脑调控经颅超声刺激帕金森病 μCOSII μCGUI 小波变换

低强度经颅超声刺激对小鼠皮层神经血管耦合调控作用研究

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低强度经颅超声刺激对小鼠皮层神经血管耦合调控作用研究

作者：边楠楠燕山大学

学位级别：硕士

低强度经颅超声刺激技术是近几年发展起来的一种新的脑刺激方法,具有无损伤、高空间分辨率、高刺激深度的优点。但其对神经元的影响目前还不确定,因此研究超声刺激对神经元的影响机制具有重要意义。神经血管耦合是颅神经代谢的基础,对... 详细信息

低强度经颅超声刺激技术是近几年发展起来的一种新的脑刺激方法,具有无损伤、高空间分辨率、高刺激深度的优点。但其对神经元的影响目前还不确定,因此研究超声刺激对神经元的影响机制具有重要意义。神经血管耦合是颅神经代谢的基础,对于维持大脑活性具有重要的意义,卒中、小血管病变、神经变性病等神经系统疾病都与它相关。本文研究经颅超声刺激对皮层的神经血管耦合机制,主要工作概括如下:首先,实验平台设计与搭建。本文对内源光学成像平台进行重新设计与改进,用于采集皮层内源信号;搭建并调试脑电采集系统,调试软件参数,用于采集脑电信号;编写超声刺激控制程序,用LabVIEW软件控制信号源在需要的时间发出脉冲信号,通过信号调制最终发出超声信号;搭建水听器声场扫描系统,将声信号转变为电压信号,编写LabVIEW控制程序,控制电机在XYZ轴逐点扫描,测量超声换能器声场分布,为实验做准备。然后,进行超声刺激下麻醉小鼠的神经血管耦合研究。采集小鼠皮层内源信号与脑神经电信号,分析超声刺激对小鼠皮层脱氧血红蛋白(HbR)浓度影响以及对脑神经活动的影响。实验结果显示超声刺激会对皮层的神经活动造成影响。分析不同超声刺激参数下神经与血管的耦合关系,发现超声刺激参数对神经血管的耦合系数喊声影响。本文认为刺激会引起大脑中大量细胞层面的变化,进而改变神经血管耦合关系。这包括细胞体的扩张,细胞膜外离子浓度增加和局部代谢产物浓度的变化等。最后,针对于麻醉可能对小鼠的脑血氧代谢造成影响的问题,研究超声刺激对清醒鼠皮层HbR的影响。本文进行清醒状态下小鼠超声刺激的实验,采集视觉皮层、感觉皮层、运动皮层的内源信号图片。通过数据处理对比超声刺激前后不同皮层HbR变化,发现超声刺激会对不同皮层造成相似的影响,都可以使神经元兴奋。同时发现麻醉会对神经元的兴奋性产生抑制作用,导致超声刺激之后缺氧血红蛋白的恢复时间变慢。

关键词：经颅超声刺激脑神经调控脑血氧代谢神经血管耦合