用于動物實驗的陣列式超聲腦刺激器

曹偉，倉臣，張浩強，鄭政

上海理工大學醫療器械與食品學院，上海200093

前言

超聲腦刺激因其獨特的優點受到了廣泛的重視，眾多實驗室相繼開展相關研究，期望進一步揭示其作用機理［1‐2］，闡明其神經調制的規律［3‐5］，從而推動其臨床應用。和醫學轉化研究相同的是，這一過程也必須首先進行動物實驗。但由于實驗動物的顱骨和腦結構通常和人類具有非常大的差別，因此需要專門設計的超聲刺激設備以滿足動物實驗之需［6‐8］。

目前幾乎所有的動物實驗均使用單晶片聚焦換能器，這種換能器有兩個明顯的缺點：（1）無法校正顱骨對聲場造成的畸變，增加對實驗結果進行分析的困難；（2）無法對焦點位置進行電控，實驗中變換刺激部位只能依靠機械調節，不僅費時，而且容易引起超聲耦合劑脫離，導致實驗失?。?‐13］。

本研究針對上述問題設計了一種基于陣列式換能器的刺激器，其換能器由16個陣元組成，每個陣元都由單獨的脈沖源驅動。根據相位補償原理［14］，調整脈沖源之間的延時不僅可以校正聲場畸變帶來的散焦問題，而且可以在一定范圍內實現焦點位置的電控［15‐19］。

1 系統設計

1.1 換能器陣列

為兼顧顱骨穿透能力和聚焦能力，本研究選取500 kHz 的超聲頻率。探頭尺寸、陣元個數和陣元大小是另一個需要考慮的問題。通常陣元數越大，合成聲場越理想，但是探頭尺寸必須和動物顱骨的尺寸相配合，而用于超聲腦刺激研究的動物以大鼠為多，顱骨尺寸有限（成年大鼠顱骨約為49 mm×22 mm），所以不宜安排太多陣元；……