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  實驗名稱：經顱磁聲刺激與經顱超聲刺激誘發肌電運動閾值的對比研究

  研究方向：生物醫學

  測試目的：

  在(zai)(zai)腦(nao)(nao)科學與神(shen)經(jing)(jing)科學研究(jiu)中(zhong)，物(wu)理(li)(li)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)是目前應用(yong)(yong)最廣(guang)泛(fan)的(de)(de)電(dian)磁(ci)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)技術(shu)。該技術(shu)利用(yong)(yong)變化的(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)誘發(fa)感應電(dian)流進而對神(shen)經(jing)(jing)組織進行(xing)調(diao)控(kong)，具有(you)安全無(wu)創、矢量性(xing)(xing)(xing)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)的(de)(de)特(te)點(dian)。TMS不僅廣(guang)泛(fan)應用(yong)(yong)于(yu)(yu)神(shen)經(jing)(jing)疾病的(de)(de)治療，如抑郁癥、癲癇(xian)等，還可(ke)以用(yong)(yong)于(yu)(yu)腦(nao)(nao)認知活動(dong)與功(gong)能(neng)區(qu)定位(wei)。由于(yu)(yu)理(li)(li)論上電(dian)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)遵循拉普拉斯(si)方(fang)程，即TMS線(xian)圈的(de)(de)場(chang)(chang)(chang)強無(wu)法存(cun)在(zai)(zai)一(yi)個(ge)局(ju)部的(de)(de)極大值(zhi)（聚焦(jiao)(jiao)點(dian)），因此(ci)難(nan)以實現(xian)毫米量級磁(ci)場(chang)(chang)(chang)或電(dian)場(chang)(chang)(chang)的(de)(de)聚焦(jiao)(jiao)，其刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)深度也局(ju)限于(yu)(yu)對皮層(ceng)的(de)(de)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)。經(jing)(jing)顱超(chao)聲(sheng)(sheng)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)（transcranialultrasound stimulation，TUS）作(zuo)為一(yi)種(zhong)新型的(de)(de)神(shen)經(jing)(jing)調(diao)控(kong)技術(shu)，將低強度的(de)(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)聚焦(jiao)(jiao)作(zuo)用(yong)(yong)于(yu)(yu)腦(nao)(nao)部靶(ba)(ba)區(qu)，利用(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)(sheng)聲(sheng)(sheng)束的(de)(de)機械效(xiao)應對腦(nao)(nao)部進行(xing)無(wu)創的(de)(de)神(shen)經(jing)(jing)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)，是一(yi)種(zhong)力學調(diao)控(kong)。TUS因具有(you)非侵入性(xing)(xing)(xing)、高空間(jian)分辨力、可(ke)實現(xian)深部刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)等潛在(zai)(zai)特(te)點(dian)引起愈加廣(guang)泛(fan)的(de)(de)關注與研究(jiu)。而經(jing)(jing)顱磁(ci)聲(sheng)(sheng)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)（transcranialmagneto-acoustical stimulation，TMAS）是一(yi)種(zhong)基(ji)于(yu)(yu)磁(ci)聲(sheng)(sheng)耦合原理(li)(li)的(de)(de)神(shen)經(jing)(jing)調(diao)控(kong)技術(shu)，它利用(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)聚焦(jiao)(jiao)性(xing)(xing)(xing)可(ke)實現(xian)毫米級空間(jian)分辨的(de)(de)聚焦(jiao)(jiao)電(dian)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)，可(ke)對神(shen)經(jing)(jing)電(dian)活動(dong)進行(xing)直(zhi)接調(diao)控(kong)。該方(fang)法在(zai)(zai)保證刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)深度的(de)(de)情況下可(ke)獲得更(geng)好的(de)(de)定位(wei)和腦(nao)(nao)功(gong)能(neng)區(qu)靶(ba)(ba)點(dian)刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)，特(te)別是對刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)靶(ba)(ba)向性(xing)(xing)(xing)要求更(geng)高的(de)(de)腦(nao)(nao)功(gong)能(neng)分區(qu)領域以及深部經(jing)(jing)顱精準刺(ci)(ci)激(ji)(ji)(ji)領域具有(you)重(zhong)要的(de)(de)研究(jiu)價值(zhi)和應用(yong)(yong)前景。

  測試設備：ATA-4014高壓功率放大器、信號發生器、移動支架、旋轉槽、靜磁鐵、超聲換能器、聲準直器、立體定位儀、通道生理記錄儀

  圖(tu)：實驗系統框圖(tu)

  實驗過程：

  首先由信(xin)號(hao)(hao)發生器(qi)產生特定(ding)(ding)重(zhong)復(fu)頻(pin)率(lv)(lv)的(de)脈(mo)沖(chong)觸(chu)發信(xin)號(hao)(hao)，信(xin)號(hao)(hao)發生器(qi)用(yong)于(yu)產生特定(ding)(ding)幅(fu)值及(ji)寬度(du)的(de)脈(mo)沖(chong)串。調制后(hou)的(de)超(chao)聲信(xin)號(hao)(hao)經(jing)(jing)(jing)由ATA-4014高壓功率(lv)(lv)放大器(qi)放大后(hou)激勵(li)超(chao)聲換(huan)(huan)能(neng)器(qi)，該換(huan)(huan)能(neng)器(qi)為(wei)平面(mian)型超(chao)聲換(huan)(huan)能(neng)器(qi)，中心(xin)頻(pin)率(lv)(lv)500kHz，帶寬300kHz。換(huan)(huan)能(neng)器(qi)發射的(de)超(chao)聲波(bo)(bo)經(jing)(jing)(jing)聲準直器(qi)聚焦，對(dui)實驗(yan)小(xiao)(xiao)鼠(shu)(shu)腦(nao)部靶(ba)區進行(xing)刺激。實驗(yan)中，待(dai)刺激小(xiao)(xiao)鼠(shu)(shu)被固定(ding)(ding)于(yu)腦(nao)立(li)體(ti)定(ding)(ding)位儀上，使(shi)用(yong)呼(hu)吸麻醉機(ji)，對(dui)實驗(yan)小(xiao)(xiao)鼠(shu)(shu)進行(xing)輕度(du)氣體(ti)麻醉。表面(mian)磁(ci)感應強度(du)為(wei)0.3T的(de)靜(jing)磁(ci)鐵放置在實驗(yan)小(xiao)(xiao)鼠(shu)(shu)旁的(de)旋轉移動支架上，以提供(gong)TMAS實驗(yan)需(xu)要(yao)的(de)靜(jing)磁(ci)場。實驗(yan)中，可通過(guo)旋轉支架控(kong)制磁(ci)場的(de)施加與(yu)撤除，分別實現(xian)對(dui)小(xiao)(xiao)鼠(shu)(shu)的(de)TMAS和TUS過(guo)程。靜(jing)磁(ci)鐵的(de)表面(mian)磁(ci)感應強度(du)通過(guo)高斯計(ji)測(ce)(ce)(ce)試獲得。此(ci)外，為(wei)了確定(ding)(ding)實驗(yan)中的(de)聲學參(can)數，設置了聲場檢(jian)測(ce)(ce)(ce)裝置。針式水聽(ting)器(qi)用(yong)于(yu)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)待(dai)刺激靶(ba)區的(de)聲信(xin)號(hao)(hao)，該聲信(xin)號(hao)(hao)經(jing)(jing)(jing)可變增益(yi)放大器(qi)由數字(zi)示波(bo)(bo)器(qi)顯示。實驗(yan)中，使(shi)用(yong)多通道生理(li)電信(xin)號(hao)(hao)采(cai)集(ji)處理(li)系(xi)統對(dui)小(xiao)(xiao)鼠(shu)(shu)EMG進行(xing)采(cai)集(ji)、放大及(ji)簡單濾(lv)波(bo)(bo)。EMG的(de)后(hou)期分析(xi)、處理(li)使(shi)用(yong)MATLAB工(gong)具包。

  圖：小鼠EMG與TMAS激勵信(xin)號關系

  實驗結果：

  本(ben)文基于小鼠EMG的(de)(de)(de)(de)采集、分析及運(yun)(yun)動閾值(zhi)的(de)(de)(de)(de)獲(huo)取，對(dui)比研究(jiu)了TUS與TMAS對(dui)運(yun)(yun)動皮層神經(jing)的(de)(de)(de)(de)調控效(xiao)果(guo)。結(jie)(jie)果(guo)表明：相對(dui)于TUS，TMAS可以(yi)在(zai)更(geng)低的(de)(de)(de)(de)超聲(sheng)強度(du)下(xia)誘發小鼠的(de)(de)(de)(de)EMG并檢測(ce)到運(yun)(yun)動閾值(zhi)；并且在(zai)相同超聲(sheng)強度(du)激勵下(xia)，TMAS引起EMG的(de)(de)(de)(de)成功率更(geng)高(gao)，運(yun)(yun)動反(fan)饋也更(geng)加穩定。該結(jie)(jie)果(guo)反(fan)映出TMAS較TUS具有更(geng)有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)小鼠腦(nao)皮層運(yun)(yun)動區(qu)調控能力，其(qi)原因是(shi)TMAS結(jie)(jie)合(he)了耦合(he)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)與聲(sheng)場(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)復(fu)合(he)刺激，同步的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)場(chang)(chang)(chang)與電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)形成了協同調控。

  圖(tu)：激勵電(dian)壓-刺激靶點處聲(sheng)壓曲(qu)線

  此外，有(you)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)表明，小鼠在(zai)TUS作用下能夠(gou)誘發運動反饋的(de)(de)(de)最低(di)超(chao)(chao)聲(sheng)強(qiang)Ispta不低(di)于(yu)100mW/cm2。但是(shi)，本(ben)(ben)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)結果表明TMAS可(ke)(ke)(ke)以將能夠(gou)引起運動反饋的(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)強(qiang)度(du)Ispta降(jiang)低(di)約80%，這(zhe)很(hen)大程(cheng)度(du)上可(ke)(ke)(ke)以降(jiang)低(di)超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)熱效(xiao)應(ying)和空(kong)化效(xiao)應(ying)給(gei)神(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)組(zu)織可(ke)(ke)(ke)能帶來的(de)(de)(de)損傷(shang)。同時(shi)對(dui)(dui)(dui)TUS的(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)也具(ju)有(you)重要意義。本(ben)(ben)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)中還(huan)觀察到(dao)：對(dui)(dui)(dui)于(yu)TMAS，在(zai)磁場(chang)引入(ru)(ru)與撤除的(de)(de)(de)一(yi)(yi)小段(duan)時(shi)間內（3~10s），觀察到(dao)小鼠EMG的(de)(de)(de)成(cheng)功率相對(dui)(dui)(dui)于(yu)持續進行(xing)磁場(chang)刺激時(shi)更高，這(zhe)可(ke)(ke)(ke)能是(shi)由于(yu)神(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)細胞(bao)存在(zai)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)磁效(xiao)應(ying)，使得神(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)細胞(bao)膜導電性(xing)改變或者閾電位(wei)降(jiang)低(di)。此外，本(ben)(ben)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)僅選取了EMG作為評價指標，為進一(yi)(yi)步(bu)探究(jiu)(jiu)TMAS對(dui)(dui)(dui)神(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)電活動的(de)(de)(de)影(ying)響，下一(yi)(yi)步(bu)還(huan)可(ke)(ke)(ke)對(dui)(dui)(dui)小鼠的(de)(de)(de)局部場(chang)電位(wei)、神(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)電生理(li)等(deng)信(xin)號進行(xing)分析研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，更深入(ru)(ru)地探索TMAS對(dui)(dui)(dui)神(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)細胞(bao)的(de)(de)(de)刺激原理(li)與作用機制。

  安泰ATA-4014高壓功率放大器：

  圖：ATA-4014高(gao)壓功(gong)率放大器指標參(can)數(shu)

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