专利名称：调节大脑活动的设备和方法超声(US)已被用于许多医疗应用，以及一般被称为频率大于人类听觉上限的循环声压。超声的产生用在许多不同领域中，通常用于穿透媒体和测量反射特征或供应聚焦能。例如，反射特征可以揭示有关媒体内部结构的细节。这种技术的一种众所周知应用是将它用在超声波扫描术中，以产生子宫中胎儿的画面。还存在可以提供治疗效果的其它应用，譬如，使肾结石消融的碎石术，或使大脑肿瘤热消融的高强度聚焦超声。超声治疗的好处是它的非侵入性。像脑部深度刺激(DBS)和重复经颅磁刺激那样的神经调节技术由于它们在处理许多神经/精神疾病时的治疗效用而引起人们关注。这些 刺激神经元回路的方法已表明人类有希望治疗像帕金森氏症(Parkinson’S)、阿尔茨海默氏症(Alzheimer’ S)、昏迷、癫痫、中风、抑郁症、精神分裂症、成瘾、神经性疼痛、认知/记忆功能障碍等那样的疾病和紊乱。所需要的是可以为连续或短期应用提供对像大脑那样的神经组织的有效超声治疗的设备。对受伤后不久的神经组织提供治疗的设备也是所希望的。
本发明包含用于调节人类和其它生物体中的大脑的活动或多个活动的方法和设备。本发明的方法包含将超声(US)施加于大脑以便影响大脑和调节大脑的活动。本发明的设备包含可操作地附接在包含大脑的头部上或与包含大脑的头部相联系的超声设备，所述超声设备可以包含用于生成超声波的一个或多个部件，诸如超声发射器、换能器、压电换能器、压电聚合物换能器、复合换能器、气体基质压电换能器、CMUT (电容式微加工超声换能器)，并且可以配备有单个或多个换能器或以阵列配置。超声换能器元件还可以包含当提供超声波时影响大脑区域的诸如声学超透镜或超材料之类的聚焦透镜。该透镜或超材料用于大小在用于治疗大脑目标的某种超声的波长衍射极限以下的大脑区域。可选地，所述超声设备可以包含电源、用于发送或接收数据的部件、用于远程激活超声换能器或其它部件的部件、全球定位部件或其它定位或跟踪部件。根据所希望的应用，提供的超声波可以是任何形状的，并且可以是聚焦的或未聚焦的。在要调节的组织的部位处，所述超声可以具有在大约0. 0001mff/cm2 (毫瓦/厘米2)到大约100W/cm2的范围内的强度，和在大约0. 02MHz (兆赫)到大约10. OMHz的范围内的超声频率。本发明的方法包含通过以有效强度和在有效时间范围内，将超声波提供给大脑、特定的大脑区域、一个或多个区域的大脑传出神经或大脑传入神经、或它们的组合以便改变大脑活动来调节大脑活动。可以设想，诸如包含其中包含至少一个超声生成部件的头盔的超声设备之类的、可操作地附接在对象上的超声设备可以用于提供这里所述的超声治疗。也可以使用未并入可戴式设备中、而是直接附接在对象上或与对象保持一定物理距离的超声部件，将这里所述的这样的超声方法和治疗提供给对象。一些方法包含例如通过使用这里公开的超声设备，BRI (大脑调节接口)，至少将有效数量的超声波提供给一处或多处大脑结构来调节对象中的大脑活动。一种方法包含通过将有效数量的超声提供给受到创伤的大脑区域或可能受该创伤影响的周围或远处大脑区域来治疗或减轻该创伤对大脑的影响。这样的方法可以降低创伤性脑损伤的二次影响。一种方法包含阻止或抑制对象中的记忆形成。一种方法包含促进记忆的形成。本发明的方法包含改变对象的应激反应。一种方法包含激活对象中的大脑觉醒区域，以增强警惕性、意识、注意力或长期警觉性。一种方法包含激活对象中的奖赏通路。本发明的方法包含激活奖赏通路、激活感觉或运动大脑区域、和用于治疗人类和动物的方法。本发明的方法可以包含组合这里教导的方法，以及其中超声由这里公开的超声设备提供。这里公开的方法可以通过本领域的普通技术人员已知的超声设备来完成。并入本说明书中和构成本说明书的一部分的附图例示了几个实施例，并且与本说 明书一起例示了公开的构成和方法。图IA-E是例示用于调节大脑活动的示范性系统和设备的图形。图IA示出了包含超声换能器的设备，图IB示出了图IA的主体部分和换能器的剖面图，图IC示出了用于附接换能器的底架型主体，图ID示出了附接在头盔内的底架，以及图IE示出了放置在对象上的底架。图2示出了包含将超声能和电磁能两者提供给大脑的部件的本发明超声设备的示范性实施例。图3例示了用于生成将超声能提供给大脑或神经组织以便调节活动的超声刺激波形的脉冲策略的示范性实施例。图4是示出本发明的大脑调节接口(BRI)设备以及该设备可以包含的示范性部件的流程图。图5例示了包含用于调节大脑活动、用于监视大脑活动以及用于发送和接收有关对象的物理位置和/或诸如血压、心率，呼吸率、和/或血氧水平之类的生命统计量的信息的多个部件的示范性超声设备。该例示图还例示了包括超声换能器、磁换能器、发光设备和通信设备的可以与大脑调节接口(BRI)设备一起使用的部件。图6例示了包含局部或全球定位部件的示范性超声设备(BRI)；图7例示了具有诸如可移动或可旋转超声换能器之类的可移动或可旋转部件的示范性超声设备。图8A-F例示了相控阵列换能器的示范性排列。图9A-B是示出使用压电聚合物将机械能转换成电能时产生的能量的曲线图。图10A-B例示了声学超透镜(A)以及附接在超声换能器和超声设备上(B)以在利用超声治疗极小大脑区域时实现亚衍射空间分辨率的这样的声学超透镜或超材料的示范性例子。图IlA-C示出了用于完好大脑回路的经颅刺激的超声刺激波形。(A)例示了用于构建脉冲US波形并将其发送到完好老鼠大脑的方法。两个函数发生器串联连接并且用于构建刺激波形。然后使用RF放大器将最终电压提供给US换能器。(B)例示了示范性低强度US刺激波形以强调构建它们时使用的参数。例示的刺激波形生成的声强用黄色框表示。(C)左侧示出了从换能器表面投射到校准的水听器的表面上时，0. 5MHz的超声的100个循环脉冲生成的声压。右侧示出了当通过新鲜体外老鼠头从换能器的表面发送到与运动皮质(0. 8毫米深)相对应的区域时相同US脉冲生成的压力。图12A-D示出了完好老鼠运动皮质中的低强度脉冲US刺激神经元活动。(A)冠状大脑剖面示出了例示Ml中从中获得US唤起的神经元活动的记录位置的电解损害。(B)(顶部)响应脉冲US波形的输送从Ml皮质中记录的原始(黑色)和平均(灰色；25次试验)US唤起的MUA0 (中部)将TTX加入皮质降低突触噪声和衰减US唤起的MUA中。(底部)响应每IOs输送的25个US刺激波形从Ml皮质中记录的原始控制(黑色)、平均控制(绿色)、和平均TTX (红色)LFP。(C)尖峰栅格图例示了响应25次连续US刺激试验皮质尖峰随时间的增力口。(D)刺激后时间直方图例示了将US刺激波形输送到运动皮质之前500ms和之后500ms记录的平均MUA尖峰计数。所示的数据是平均值土SEM (标准差)。图13A-E示出了利用脉冲US对运动皮质的经颅刺激在功能上激活了完好老鼠中 的下行皮质脊髓运动回路。(A)针对自发肌肉抽搐(顶部)获取的原始(左侧)和全波整流(FffR ;右侧)EMG (肌电图)迹线，以及通过运动皮质的经颅US刺激(底部)产生的肌肉活动的平均(十次试验)增加量。在右下侧叠加示出了 US刺激波形(黑色)的持续时间、平均US唤起的EMG迹线(灰色)、和EMG积分(灰色虚线)。(B)作为以0. IHz重复的试验次数的函数画出了响应右运动皮质刺激从左肱三头肌中记录的EMG响应延迟时间(顶部)和幅度(底部)。为不同试验示出了各自US唤起的原始EMG迹线(右侧)。(C)针对四个逐渐增大的刺激重复频率示出了 EMG失败概率直方图(左侧)。针对两种不同刺激重复频率示出了原始US唤起的EMG迹线(右侧)。所示的数据是平均值土SEM。(D)例示将TTX施加于运动皮质阻塞US唤起的下行皮质脊髓回路活动的原始EMG迹线。(E)响应具有用在刺激波形中的短脉冲持续时间(PD)的US波形的发送，从运动皮质中获得的原始(黑色)和平均(灰色；十次试验)温度记录(顶部)。类似地，响应具有大约是用在刺激波形中的那些的100倍长的ro的波形的皮质的温度记录(中部和底部)。图14A-C示出了下行皮质脊髓回路激活时刺激波形的声频率和声强度的相互作用。(A)针对用在构建刺激波形中的四个US频率画出的最大峰值归一化(Norm) US唤起的EMG幅度直方图。所示的数据是平均值土SEM。(B)作为20种不同刺激波形(参见表SI)产生的US强度(/SPTA)的函数画出了平均最大峰值归一化US唤起的EMG幅度。(C)作为最大峰值归一化EMG幅度的函数画出了 US强度(/SPTA)与US频率之间的相互作用(伪彩色LUT)。图15示出了经颅脉冲US触发的神经元激活的空间分布。(A)示出了通过声准直器(绿色；d=2mm)输送经颅脉冲US的解剖位置，以及使用抗c-fos (基因片段)的抗体为显影功能活动图而随后重构(蓝色)的脑体的图形。(B)示出了冠状大脑剖面中US传输路径的内部(i)和外部(ii和iii)的不同位置上的c-fos活动的光显微图。(C)为从刺激带中获得的重构冠状剖面示出了 250 X 250 iim区域中的c-fos+细胞密度的伪彩色图。US大脑传输路径的内部(i)和外部(ii和iii)的小区域被高亮显示，它们包含从显示在(B)中的相应图像中获得的c-fos密度数据。(D)为受刺激大脑区域的嘴侧(左侧)和尾侧(右侧)的冠状大脑剖面示出了类似的伪彩色C-fos活动图。(E)线图例示了沿着受刺激半球(黑色)和对侧控制半球(灰色)的重构脑体的嘴侧-尾侧轴观察的平均c-fos+细胞密度。刺激带内的皮质区域用红色表示。所示的数据是平均值土SEM。图16A-D示出了利用脉冲超声对完好老鼠海马的经颅刺激。(A)所示的是将经颅脉冲US对准背外侧海马，同时记录背侧海马中的唤起的电-生理反应的几何配置的例示图(左侧)。一种损害例示了海马CAls. p.区域中的电生理记录位置的部位(右侧)。(B)响应50次连续US刺激试验记录的原始(黑色)和平均(青色)海马CAlLEP (左侧)。伪彩色尖峰密度图例示了响应以0. IHz输送的50次连续脉冲US刺激，CAls. p.尖峰随时间的增加(右侧)。(C)在其宽带(顶部)、y带(中部)和SWP (下部)频带中示出了响应脉冲US波形的CAls. p.细胞外活动的各自记录迹线。SWP迹线的扩展250ms区域(红色)例示了 SWP “纹波”。(D)例示了对侧控制半球(左侧)和受刺激半球(右侧)当中的海马的CAls. p.(顶部)和CA3S.p.(底部)区域中的BDNF (绿色)表达的的共焦图像。直方图(更右侧)例示了针对海马的CAls. p.(顶部)和CA3s. p.(底部)区域通过经颅US刺激触发的BDNF+斑点的密度的显著增加。所示的数据是平均值土SEM。 图17A-B示出了使用超声修改认知表现的结果。(A)示出了用于在根据空间学习任务一Morris水迷宫法训练它们(连续三天每天四次试验)之前利用经颉脉冲超声刺激老鼠的海马使用的刺激策略。(B)任务掌握采集曲线示出了假治疗老鼠和US刺激老鼠两者经历几天时间的逐步缩短的平均平台逃跑潜伏期(左侧)。从线图(左侧)中可以看出，如它们的较慢掌握速率或较慢缩短逃跑潜伏期时间所指示的，刚好在训练之前用US刺激的老鼠(红色)与假治疗对照组(黑色)相比学习任务较缓慢。示出治疗组(US刺激和假治疗对照)的平均逃跑潜伏期的数据是针对经历三天训练时间的每天四次单独试验示出的。线图(中间)示出了 US刺激的老鼠(红色)与假治疗对照组(黑色)相比从第I天第4次试验到第2天第I次试验中观察到逃跑潜伏期的延长。这些数据例示了利用US刺激的老鼠与假治疗对照组相比具有更明显的“忘记”或扰乱的记忆巩固过程，假治疗对照组在第I天第4次试验结束到第2天第I次试验开始之间的大约22小时延迟当中保持了逃跑潜伏期。在三天Morris水迷宫训练之后的那一天，让老鼠经受从迷宫中移走逃跑平台的测试。对在训练天逃跑平台所在的水迷宫象限中进行搜索所花费的时间进行量化并用直方图示出(右侧)。US刺激的老鼠与假治疗对照组相比在正确象限中花费较短的时间表明发生在获取信息(学习)的时间附近的时间的US刺激(在这种情况下，在Morris水迷宫训练之前)可以扰乱那个信息的记忆或巩固。图18A-C示出了使用超声增强认知过程的结果。(A)例示了在开始根据空间认知任务一Morris水迷宫法训练之前连续7天每天5分钟用经颉脉冲US刺激未试验过的老鼠的海马的策略。如图所例示，然后在根据Morris水迷宫任务训练之前不接受进一步US刺激地根据Morris水迷宫任务训练老鼠。(B)线图(左侧)示出了 US刺激的老鼠(红色)与假治疗对照组(黑色)相比，如基于Morris水迷宫法的较快任务掌握速率或较快缩短逃跑潜伏期所指示的，利用经颅脉冲US的慢性大脑刺激(在这种情况下，7天)可以增强学习。在三天Morris水迷宫训练之后的那一天，让老鼠经受从迷宫中移走逃跑平台的测试。对在训练天逃跑平台所在的水迷宫象限中进行搜索所花费的时间进行量化并用直方图示出(右侧)。US刺激的老鼠与假治疗对照组相比在正确象限中花费较长的时间表明未发生在获取信息(学习)的时间附近的时间的慢性US刺激(在这种情况下，在Morris水迷宫训练之前)可以增强那个信息的记忆或巩固。因此，取决于刺激范式，通过大脑调节设备输送的经颅脉冲超声可以用于增强或损害诸如学习和记忆之类的认知过程。图19A-C例示了经颅脉冲超声可以用于调节大脑活动以便研究和/或治疗神经疾病。(A)示出了响应于在5秒内以连续波模式输送给正常老鼠的大脑的经颅超声刺激的EMG记录。通过连续波经颅超声刺激的大脑活动模式表示在癫痫发作活动期间观察到的大脑活动模式。如响应于利用连续波超声对大脑组织的经颅刺激的EMG迹线所示，已知这样的发作活动模式出现在开始大脑刺激发作之后的10秒钟或更长时间内。唤起这样的发作活动模式可以有助于通过映射病变或有病变倾向回路，以及通过使用US调节大脑活动模式以便筛选可用于治疗异常大脑活动的药品化合物或基因来研究癫痫。当与利用脉冲超声产生的例示在图12-16中的活动模式相比时，利用连续波超声触发的面板上数据(A)表明经颅超声可以根据使用的超声刺激波形和根据所希望的结果，以根本不同的方式影响大脑 活动。(B)左侧示出了正好在注射了红藻氨酸以后产生癫痫标准模型的老鼠。还例示了癫痫发作活动开始之前(右上角)和之后(右下角)的EMG活动。右下角的EMG迹线与右上角的发作前迹线相比，表明存在发作活动，如增加的持续EMG活动所指。(C)示出利用经颅超声实现的大脑刺激的EMG迹线可以用于终止老鼠癫痫模型中的发作活动。四个不同例子例示了经颅超声的输送能够迅速衰减明显的发作活动，如经颅超声刺激波形输送之后不久减小的EMG幅度所指示的。超声对患病大脑活动的这样影响可以响应看得见地或通过EEG (脑电图)或EMG活动检测的发作而被人工管理。在本发明的另一个实施例中，将超声输送给大脑可以响应通过EEG、EMG、MEG (脑磁图)、MRI (磁共振成像)或大脑活动的其它读出检测的发作活动而被自动控制。图20A-B示出了 A—治疗末梢神经的示范性实施例。黑圆圈代表超声换能器，用于刺激末梢神经结构，以便唤起由大脑处理和导致大脑活动变化以便处理刺激的机械、热或疼痛感觉。B—示出了组成神经系统的不同皮肤受体。这些神经结构受体可以通过超声被不同地调节，以唤起由大脑解释的不同类型体感反馈线索。这样的感觉可以是疼痛、热、冷、轻触、深压、或其他机械感觉。

可以将一个或多个冷却部件并入设备的主体中，并且可以在向头部提供超声波之前、期间或之后放置在头皮上。冷却部件可以是超声透明的，以便冷却部件不会改变波形、强度和/或频率。冷却部件可以是冰袋；像冷冻箱那样，通过放在寒冷的地方冷冻的可冷冻容器；化学品的容器，以便可以发生吸热和冷却容器的化学反应；通过机械手段冷却的机械冷冻材料或容器；或可以提供可以应用于对象头部的冷却或寒冷表面的在现有技术中已知的任何其它材料或容器。如这里所公开的，本发明的各个方面是在将超声提供给包括大脑的特定区域或脑传入神经或脑传出神经的哺乳动物脑组织，或将超声提供给一个或多个脑区，它们的组合，或引起神经递质的合成、释放或摄取发生改变的背景下描述的。例如，大脑可以包含处在头部区域中的内含神经元的组织、像神经干细胞那样的神经前体细胞、神经元、轴突、神经细胞体、神经节、树突、突触区域、神经元组织、或像神经胶质细胞、寡核苷酸树突、和星形胶质细胞那样，在神经元之间的位于活体有机体的大脑中的其它细胞。神经细胞的治疗公开在全文并入这里中的PCT/US2009/050560中。已经证明超声通过抑制唤起的动作电位的幅度和/或传导速度来影响神经元活动。使用中等和高强度、高频率超声以及长暴露时间来控制神经元活动使调节活体有机体 中的神经元活动的超声实用性降低到最低程度。本发明包含使用低强度(〈500mW/cm2)、低频率(〈O. 9MHz)超声的方法，并且像用于影响神经元活动的方法那样影响细胞调节。例如，低强度可以包含大约 450mW/cm2、400mff/cm2、350mff/cm2、300mff/cm2、250mff/cm2、200mff/cm2、150mW/cm2、100mW/cm2、50mW/cm2、25mW/cm2、10mW/cm2、和包括从大约 450mW/cm2 到大约 ImW/cm2的这些所述数量内的超声强度水平。本发明预期的其它强度包含大约lmW/cm2到大约100ff/cm2。例如，本发明的声强可以包含大约IW/cm2、大约2W/cm2、大约3W/cm2、大约4W/cm2、大约 5W/cm2、大约 10W/cm2、大约 15W/cm2、大约 20W/cm2、大约 25W/cm2、大约 30W/cm2、大约 40W/cm2、大约 50W/cm2、大约 60W/cm2、大约 70W/cm2、大约 75W/cm2、大约 80W/cm2、大约90W/cm2、大约100W/cm2、或在大约10mW/cm2到大约500mW/cm2的范围内。低频超声可以包含从大约0. 88MHz到大约0. 01MHz、从大约0. 80MHz到大约0. 01MHz、从大约0. 80MHz到大约0. IMHz、从大约0. 70MHz到大约0. IMHz、从大约0. 60MHz到大约0. IMHz、从大约0. 50MHz到大约0. 1MHz、从大约0. 40MHz到大约0. 1MHz、从大约0. 30MHz到大约0. 1MHz、从大约
0.20MHz到大约0. 1MHz、从大约0. IOMHz到大约0. IMHz的范围、和在这些范围内的超声频率。本发明预期的其它频率包含从大约0. IMHz到大约I. 5MHz、从大约0. IMHz到大约
1.3MHz、从大约0. IMHz到大约I. 0MHz、从大约0. IMHz到大约0. 9MHz、从大约0. IMHz到大约0. 8MHz、从大约0. IMHz到大约0. 5MHz、从大约0. IMHz到大约0. 4MHz、从大约0. 5MHz至Ij大约I. 5MHz、从大约0. 7MHz到大约I. 5MHz、从大约I. OMHz到大约I. 5MHz、从大约0. 02MHz到大约10. OMHz的范围、和在这些范围内的超声频率。如这里所使用，列举的强度和频率是目标组织部位的强度和频率水平，不是换能器的实际输出数。例如，在目标组织的部位经受的压力波形具有低于大约0. 9MHz的频率和低于大约900mW/cm2的强度。换能器的输出可能不得不比目标组织部位的最终有效数量大得多。例如，由于头盖骨吸收很大一部分超声波，所以换能器可能以大约90W输出0. 9MHz超声，以便透过完好头皮和头盖骨到达正被治疗的脑组织的有效数量超声波是大约0. 9MHz和低于大约900mW/cm2。因此，这里所述和要求的频率和强度是在目标组织部位经受的频率和强度，而不是超声换能器的输出。如这里所使用，向目标部位提供超声波以便调节大脑活动包含向对象提供超声刺激波形。超声刺激波形在这里也可以替代性地称为波形，如本领域的普通技术人员所理解的那样，两个术语可互换使用。如这里所使用的，调节大脑活动意味着改变大脑的一个或多个部位中的大脑活动。大脑活动至少可以通过超声波的行为增强或减弱，这种增强或减弱可以包括增强或减弱神经激素、神经递质或神经调质的神经元兴奋、感受、释放或摄取，增强或减弱基因转录、蛋白质翻译、或蛋白质或mRNA的蛋白质磷酸化或细胞贩运，或影响其它脑细胞的活动或结构活动。可以在单次治疗中一次性地或多次地，或以连续一天、几天、几星期、几月、几年或对象的一生的连续治疗方式将刺激波形提供给对象，即，人类、动物或其它对象。确定所需的治疗长度在医疗和/或研究专业人员的技能之内。本发明预期，刺激波形可以是脉冲的或连续的，具有一个或多个频率，以及如这里所述的其它特征。例如，在特定方法中，可以在大约IOii s (微秒)内，在大约25ii s内，在大约50ii s内，在大约IOOii s内，在大约250 y s内，在大约500 ii s内，在大约1000 ii s内，在大约2000 y s内，在大约3000 y s内，在大约4000 ii s内，在大约5000 ii s内，在大约Is (秒)内，在大约2s内，在大约3s内，在大约4s 内，在大约5s内，在大约6s内，在大约7s内，在大约8s内，在大约9s内，和在大约IOs内发送脉冲超声刺激波形，然后可以在相同或不同时间长度内重复这种治疗一次或多次。例如，可以在几年内，或在对象的一生内每11秒提供一次持续时间为大约250y s的刺激波形。图3以曲线图例示了按照一个实施例的超声波，该曲线图例示用于调节神经活动的示范性超声波形200。水平轴220a表示时间，垂直轴204表示压力，两者的单位是任意的。调节波形200包含像脉冲220a、220b和220c那样的一个或多个脉冲。每个脉冲包括在超声频率上的一个或多个循环。例如，脉冲220a包括具有周期(T >210的超声频率的五个循环，周期(T )210以秒(s)为单位，等于以赫兹(Hz)为单位的频率(f)的倒数(S卩，T=I/f)0将以脉冲的循环数表示成每脉冲循环数(c/p)。将脉冲长度222表示成PL，且以秒为单位通过周期T与每脉冲循环数c/p的乘积给出，即，PL= T *c/p。脉冲相隔与脉冲起点之间的时间有关的静态期，在图3中被显示成脉冲重复时间230。以秒为单位的脉冲重复时间230的倒数是以赫兹为单位的脉冲重复速率，这里将它表示成脉冲重复频率PRF，以便将它与超声频率f区分开。在一些实施例中，脉冲重复频率PRF对于波形200是常数。在一些实施例中，脉冲重复频率PRF在叫做斜坡时间的时间间隔内从最小值(PRFmin)增加到最大值(PRFmax)。例如，在一些实施例中，PRF在斜坡时间=5s内从PRFmin=O增大到PRFmax=3000Hz。在其它实施例中，PRF不是扫频的，范围可以从0. OOlkHz到900kHz。波形持续波形持续时间234，其结束于波形中的最后脉冲。将波形中的脉冲数表示成Np。超声波的压力幅度与用于驱动压电换能器，例如，锆钛酸铅(PZT)换能器或其它压电元件的电压范围成比例。例如，取决于使用的换能器的灵敏度和输出特性，电压范围可以在与小于500mW/cm2的强度水平相对应的100毫伏(mV，lmV=10_3V)和50V之间选择。尽管在这里脉冲可以是具有单个超声频率的正弦波，但也可以使用像方波、尖峰、或斜坡那样的其它振荡形状，或者一个脉冲包括由拍频、谐频、通过相长或相消干涉技术生成的频率的组合,或上述频率中的一些或全部组成的多个超声频率。
本发明包含用于调节大脑结构从而调节这样的结构的活动的设备、使用这样设备的方法以及系统。这样的设备、系统和方法包含向大脑结构、细胞或其它组织提供超声波。这里提供了本发明的设备和方法的示范性实施例。这些方法包含，例如，通过使用一个或多个低强度、低频率超声和/或低强度超声，或一个或多个其它超声强度或频率换能器将超声提供给对象。例如，超声(us)换能器可以与对象的外表面声耦合，或可替代地，US换能器可以在目标组织的声有效范围内。然后，驱动超声换能器以便在组织、细胞或器官中形成，例如，强度低于大约100瓦每平方厘米(W/cm2),低于大约lW/cm2,或低于大约500m W/cm2的刺激波形。超声波形可以包含一个或多个频率。在一个实施例中，驱动超声换能器包含驱动超声换能器形成包括多个脉冲的压力波动波形或刺激波形，每个脉冲的持续时间小于大约1000微秒(y S)。脉冲持续时间可以根据特定方法或设备而变化，或者可以具有大约10秒或以下，诸如大约100到10000微秒的持续时间。驱动超声换能器可以包含驱动超声换能器形成在小于大约10秒的波形持续 时间内具有多个脉冲的压力波动波形或刺激波形。这只包含一种刺激波形，这种波形可以重复几乎无限多次。如这里所使用，压力波动波形和刺激波形可互换使用。驱动超声换能器可以包含驱动超声换能器形成频率在大约0. 20MHz以上的刺激波形。该波形可以是任选的或非任选的一个或多个已知波形，包括但不限于正弦、方形、锯齿形、三角形、斜坡和尖峰。可以将超声波聚焦以作用在对象中或上的特定部位上，或聚焦在一个或多个部位上，或者，超声波可以是未聚焦的并且作用在多个部位上。取决于所希望的应用，超声波可以是连续的或脉冲的。频率或强度在整个治疗时期可以是一致的，或可以从一个数字变更或扫描到另一个数字，再返回到原始数字。本领域的普通技术人员能够为所希望的应用确定这样的参数。这里公开了一些例子。UNMOD刺激的声频率和强度特性构成其对大脑活动的核心作用的基础。各式各样的声频率、强度、和传输模式已经用于引起神经元活动的可变激发或抑制。用于操纵神经元活动的声频率的范围从0. 25MHz (Tufail等人，2010)到7. OMHz (Mihran等人，1990b)。虽然US的较低频率具有比较高频率更长的波长和更低的空间分辨率，但使用US刺激完好大脑回路的〈1MHz声频率是有用范围。US〈0. 7MHz代表观察到US的经颅传输与大脑吸收之间的最佳增益的频率范围(Hayner和Hynynen, 2001 ;White等人,2006a, b)。在老鼠实验中，唤起完好大脑回路活动的最佳波形由范围在0. 25到0. 50MHz (Tufail等人，2010)之间的声频率组成。对于这些范围，实现对于UNMOD具有在0. 2到0. 7MHz之间的中心频率的宽带换能器是有用的。本发明还预期，使用利用US凝胶与皮肤耦接的浸入式(水匹配)换能器将来自换能器的声能发送到大脑中时的声阻抗失配降低到最低程度。除了声频率和换能器特性之外，像传输模式(连续波与脉冲波)和脉冲概况(每脉冲循环数cp ;脉冲重复频率PRF ;和脉冲数np)那样的其它波形变量也可能影响任何给定US刺激波形的强度特性。本领域的普通技术人员可以为刺激波形确定强度概况。在体外研究中(Tyler等人，2008)，使用了由在长持续时间5s)内以慢PRF 50Hz)重复的、具有高脉冲强度积分(P// ; 4. OJ/cm2)的US脉冲组成的刺激波形。体内的大脑活动的刺激可以使用其它US波形。例如，由在短持续时间(〈O. 4s)内以高PRF (1.0-3. OkHz)重复、具有低P// (〈O. lmj/cm2)的US脉冲构成的刺激波形对于体内刺激正常大脑回路活动是有效的(Tuf ai I等人，2010 )。这两种不同的US脉冲策略(体外刺激低PRF高P//与体内刺激高PRF低P//)表明了触发大脑活动的最佳US波形，并且具有在30到300mW/cm2之间的范围内的低时间平均强度值。除了这里所述的一般脉冲策略之外，以连续波(CW)模式传输的US也能够影响大脑活动，并且与脉冲US相比可以显示出不同的效果和时间历程。脉冲US的短脉冲串可以刺激短暂(几十毫秒)时间的神经元活动，在5秒内以CW模式输送的US刺激可以在正常老鼠中诱发持续>20秒的发作活动，并且可以扰乱癫痫老鼠中红藻氨酸诱发的电记录发作活动。脉冲US的重复短脉冲串可以使癫痫老鼠中的发作活动衰减，表明UNMOD可能是扰乱异常活动的一般干扰源。US刺激对大脑活动模式的影响可能取决于刺激幅度、持续时间、和时间频率，以及随之发生刺激时大脑的初始状态。任何特定UNMOD刺激波形或传输手段的实现都可能取决于所追求的结果。这里公开的是跨过皮肤和头盖骨输送US以便实现大脑刺激的几种方法。例如，本发明的一个方面包含将未聚焦US用于刺激宽广、非特定大脑区域。取决于所希望的结果，利用单元件平面US换能器的非特定大脑刺激方法可能是有用的。例如，从平面换能器发送的未聚焦US可以迅速地终止患了癫痫的老鼠中的发作活动，或治疗包括严重或轻度创伤 性脑损伤的多种多样其它大脑疾病。来自换能器的US透入大脑中可能发生在声凝胶将换能器与头部耦接的点上。可以用声凝胶覆盖换能器的整个表面，以防止换能器表面发热和受损。可替代的是，通过小凝胶接触点将换能器与头部耦接可以是使US透入受限大脑区域中的物理方法。可以使用声准直器横向限制透入大脑中的US的空间包络。声准直器的使用使得可以以对准方式刺激受限大脑区域。单个元件聚焦换能器可以用于向大脑输送空间受限声压场。这样的单个元件聚焦换能器可以根据换能器的尺寸和中心频率制造成具有各种焦距。本发明的一个方面包含使用空气耦合换能器将经颅脉冲超声从单个元件换能器或从如下所述的相控阵列输送到大脑中。在一些方面中，在大脑调节接口设计中可以将凝胶填充片或其它流体填充囊用于将换能器与皮肤或头盖骨声耦接。聚焦方法可能牵涉到使用工作在相控阵列中的多个换能器将通过头盖骨的US聚焦到特定大脑区域上。US可以使用相控换能器阵列通过人体头盖骨聚焦。尽管用于聚焦US的空间分辨率当前受应用的声波或波长限制，但与最近在光学显微术方面取得的成就(Abbott，2009)类似，利用自适应光学仪器聚焦US的最新进展(Zhang等人，2009)使US可以达到低于衍射极限的空间分辨率。US可以赋予与通过DBS电极所达到的那些类似的空间分辨率。这里所述的方法的一些方面预期使用利用超透镜、超材料、和带有非线性透镜的声弹的亚衍射方法。一个或多个US换能器可以分别或像在一个或多个阵列中那样集体起作用。图8A-F例示了相控阵列换能器的示范性排列。图8A示出了，例如，由像聚偏二氟乙烯(PVDF)那样的压电材料制成的相控阵列换能器的特定排列。较暗的区域代表相控阵列的有效区域。图SB示出了包含24个元件的不同相控阵列排列。不同相控阵列排列可以包含不同数量的元件，其中的任何一个都可以用在本发明的超声设备中。例如，取决于预定的使用和要对准的预定大脑结构，本发明的超声设备可以具有像图8A或B的那些那样的圆形阵列，或可以具有像8C或E的那些那样排列成矩形图案的阵列，或像在8D中那样，两者兼而有之。压电材料可以是平的或凸出或凹进地弯曲。
本发明的超声设备可以将弯曲、凹进、凸出、或平坦相控阵列的任何组合用在在一个或多个大脑区域或结构中产生聚焦或未聚焦超声场所需的任何所希望几何形状或排列中。相控阵列可以静止地安装在本发明的超声设备的主体上或中，或可以具有压电致动器或其它运动控制设备来改变一个或多个换能器或一个或多个阵列的形状和/或位置。这样的运动控制使得可以调整或改变聚焦超声场。这样的调整或改变可以响应从对象佩戴者接收的反馈信息作出，或由像遥控站那样的其它控制器作出。图8F例示了包含多个相控阵列的本发明的超声设备，其中两个阵列是圆形排列的，而另外两个阵列是矩形排列的。在本发明设备或方法的其它方面中，可以使用声学超透镜或超材料来实现衍射极限以下的超声波的聚焦和空间分辨率。参见示出包含声学超透镜的本发明的超声设备的例示图的图10。本发明提供超声的系统、方法和设备可以包含使光或声音弯曲和可以聚焦波的材料。这样的材料已被用于制造也称为超级透镜或超材料的超透镜。这样的材料、超级透镜和其它类似部件可以用在本发明的方法和设备中聚焦超声波。例如，任何类型的换能器与像超透镜或超材料那样的聚焦元件结合，用于聚焦用于调节大脑活动的超声波。这样的材料可以使光向后折射，或具有负折射率。声学超材料可以以许多方式操纵声波，包括但不限于准直，聚焦，掩盖，声筛选和非常传输。超透镜的例子包含如全文并入这里的如下文献所讲述的非谐振径向对称层状结构Li等人，Nature Materials, DOI :10:1038, NMAT2561 ,p.1-4, 25 0ctober2009。如这里所使用的，能够将超声输送给人或动物对象的本发明的设备可以称为超声设备或大脑调节接口(BRI)，这样的术语可互换使用。一般说来，超声设备可以戴在对象的头上，该设备包含用于将超声波提供给对象的大脑的一部分的至少一个超声换能器。这里提供超声的方法可以用在暴露的脑组织上，同时考虑头盖骨移除之后对提供的超声量的影响。本发明的设备包含与诸如头部之类的对象身体声连接、可以可移除地附接在身体部分上或与身体部分相邻的结构。在一些实施例中，可以使用空气或水匹配的换能器将换能器与诸如手部或脚部之类的附肢的皮肤耦接，以刺激包括大脑的神经系统处理的各种体感经历。该结构可以包含用于提供超声的元件，即，超声换能器，包括但不限于超声发射器、换能器或压电换能器、压电复合物换能器、压电聚合物换能器、和CMUT。本发明的设备至少包含主体和生成超声波的一个或多个部件。设备的主体可以是可插入其它头部设备中的底架，或主体可以是像帽子、头巾、头盔、防护头盖、头罩、可伸缩材料、可以绑在头上的类似于围巾的柔性材料、或可以被适配为保持住用于生成声波的部件和/或其它部件的其它头部设备那样的头部设备。为了简单起见，这里将设备的主体称为底架或头盔，但该指代并不意味着限制本发明。底架一般指的是可以与其它头部设备物理结合的设备主体。本发明的方法可以包含使用像栓在头盖骨上和头皮的皮肤下面那样，固定在对象的头部上的超声换能器或其它部件，以将超声波形提供给大脑。设备的一个或多个，或所有部件可以保持在设备的主体内，固定在对象的头盖骨或头皮上，或配备在分立元件中。分立元件可以配备在主体与对象的头部之间，或可以在设备的主体外部。本发明的设备包含对象可戴和用于至少将超声波提供给对象的大脑的设备，其包含当被对象佩戴时，覆盖对象的头部和/或头皮的至少一部分的主体、和多个部件，其中至少一个部件是超声部件。这里所使用的头部包含从肩胛骨的顶部开始，包括颈部区域和脊柱顶部的至少最后两块椎骨、头盖骨和颌骨、耳朵、和尤其位于大脑上和内的组织的区域。头皮包括在这个区域内，指的是长毛发或可在非秃顶人士中找到的不包括脸部毛发的毛发的头部区域。当提到头皮时，指的是从前额开始，耳朵后面，到脸部背面的发际线的头部区域。图IA是例示按照本发明用于调节大脑活动的示范性系统的图形，其中该设备包含要戴在对象的头上的头盔或头盖。可以设想，通过像下巴带或用于使头盔或帽子保持在头上的其它部件那样的附接部件使头盔部分附接在头部上。可以设想，该设备不是通过线与外部源连接，但如果必要的话，可以应用这样的实施例，例如，为了下载信息，对移动能源充电，或将能量提供给设备。为了例示本发明的系统和设备的操作，将头部描绘成戴着本发明的超声设备。但是，本发明的系统或设备不包括头部或它的外表面。本发明的系统或设备包含其中示出几个、像超声换能器那样生成超声波的部件、和未示出的控制器。该控制器可以在头盔部分内，或处在对象身体上的分立部位上，或像外科手术植入控制器那样，可以处在对象身体上或内的分立部位上，或放在包或衣袋中携带，或可以远离和不附在对象身体上。控制器可以 内置在换能器中。控制器可以将驱动电压和脉冲模式提供给一个或多个换能器，或可以接收来自远程或本地部件的信息，以及使用该信息驱动一个或多个换能器。在一些方面中，换能器可以是发射换能器、接收和发送换能器、或接收换能器。将超声换能器与控制器连接以便接收波形和电力，并且由控制器驱动换能器。将换能器与大脑声耦合，以便将声能引入大脑中。例如，可以使用空气、水、凝胶或其它声传输基质实现声耦合。这样的基质可以并入超声换能器，或可以配备在换能器与对象的头皮之间提供的分立容器中，或像把凝胶直接应用于对象的头皮那样，可以直接应用于对象的头皮。可以将换能器与除了头部之外的其它身体部分耦合，以便提供由包括大脑的神经系统处理的体感经历的刺激。尽管在外围施力口，但与提供像疼痛、机械感觉、和热感觉那样的体感经历的身体耦接的超声换能器将修改某些回路中的大脑的活动。因此，尽管换能器的耦接可能发生在外围组织上，但将这样的实施例和设备统称为大脑调节接口。换能器使用接收的波形和电力发射像在图中显示成进入对象头部中的波浪线的那些那样的超声频率声束或声波。控制器可以包含确定换能器发射到大脑中的波形的波形形成过程。例如，控制器可以包含用于将驱动电压提供给压电换能器，以便换能器可以将超声波形输送到大脑的电路。在一些方面中，换能器是电池供电的，只接收来自控制器的波形信息。尽管在图I中为了例示的目的描绘了特定数量的换能器和控制器，但在其它方面中，包括更多或更少或相同数量的换能器，以及控制器可以被每一个执行包括波形形成过程的控制器的不同或冗余功能的一个或多个设备取代。控制器和换能器可以相互独立地工作，或像在相控阵列设计中那样相互结合工作。在换能器与控制器之间将电力和波形发送给换能器的连接可以是有线的，或在其它实施例中，一种或多种连接可以是无线的，或为多个换能器传送电力或波形。每个换能器可以将声束发送到大脑中，一些声束可能相交。在一些方面中，在声束中发送的波形在声束与神经组织相交的任何地方都对调节大脑活动有效。在一些方面中，在声束中发送的波形只在与另一支声束相交的区域中有效或更有效。在一些方面中，取决于相交声束中的波形之间的相长和相消干涉的干涉图样，发送的波形只在相交区域的一部分中有效。在一些方面中，两支或更多支超声束可以彼此相交，或与大脑外面的像超材料那样的其它材料相交以形成结构化的超声模式，然后将结构化的超声模式发送到大脑中以激活或抑制大脑的一个或多个区域。声束的强度通过单位时间投射在与该声束垂直的平面上的能量除以该平面上声束的面积给出，并以单位时间单位面积的能量，即，单位面积的功率密度，例如每平方厘米瓦数(W/cm2)为单位给出。这是空间峰值时间平均强度(Ispta)，在这里中例行地用于强度。在一些方面中，大脑组织部位上的Ispta小于500W/cm2。在本发明的一些方面中，大脑组织部位上的Ispta小于lOOW/cm2。广泛用在现有技术中的强度的另一种定义是空间峰值脉冲平均强度(Isppa);对于多个循环脉冲，Isppa可以是小于10W/cm2。在现有技术中已知的任何超声换能器可以并入设备的头盔部件中，或栓在对象的 头盖骨上，用于将声束发送到大脑中。例如，Olympus NDT/Panametrics 0. 5MHz中心频率换能器，以及Ultran 0. 5和0. 35MHz中心频率换能器可以用在本发明的设备中。超声换能器可以由包括压电聚合物、压电陶瓷、压电复合物、或对电压作出响应的任何其它压电材料、本领域的普通技术人员已知的压电材料的任何单个或组合组成。在一些方面中，可以使用电容式微加工超声换能器(CMUT)技术。例如，可以以舒适地允许形成和聚焦自适应波束的灵活阵列设计来安排CMUT。例如，可以将CMUT安装在头盔区域的内表面上以将超声发送到大脑。可以将CMUT安装在头盔材料内或安装在头盔的外部，以便将超声发送到各个大脑区域。在一个方面中，可以通过皮肤表面或在皮肤表面的下面将CMUT直接安装在对象的头盖骨上，以便将超声波形发送给大脑。在一个方面中，可以以类似的方式使用其它压电材料来取代CMUT。例如，可以通过皮肤或在皮肤表面的下面将PVDF、压电复合物或其它压电聚合物直接安装在对象的头盖骨上，以便将超声波形发送给大脑。在一些方面中，可以以舒适地允许形成和聚焦自适应波束的灵活阵列设计来安排PVDF、压电复合物或压电聚合物。本发明的一个方面包含将超声换能器或其它部件用在与物理地附在对象上的超声换能器或其它部分结合使用的本发明设备中，其中设备部件和物理随着部件二者用于提供调节大脑活动的方法。在现有技术中已知的任何设备都可以用作控制器或微控制器。例如，可以使用 Agilent 33220A 函数发生器(Agilent Technologies, Inc. , SantaClara，California，USA)生成以及使用ENI 240L RF放大器放大波形。可以使用第二Agilent 33220A函数发生器触发一些波形中的脉冲。控制上述设备的数据可以使用含有软件指令的通用计算机通过波形形成过程生成。尽管将系统或设备描绘成带有几个换能器和相应波束，但可以让更多或更少的换能器或波束包括在系统或设备中以产生所希望效果。图IB-E例示了本发明的示范性实施例中的换能器的排列。图IB示出了将换能器放置在整个头盔部件中的本发明的超声设备的剖面图。图IC示出了可以可移动地安装在像防护头盔那样的头部设备内的底架型实施例。头盔部件的例子包括军用防弹头盔、消防员头盔、宇航员头盔、自行车头盔、体育防护头盔、和战斗机飞行员头盔。底架包含附在底架主体上的换能器，并且可以进一步包含像安装带、和悬挂系统那样，将底架附在头盔上的部件。然后可以将底架插入头盔中，由对象戴着，以便可以将超声施加于对象的头部。然后可以从头盔中移走底架，放置在相同或不同头盔中。图ID和E分别示出了插入头盔中的底架和对象上带有底架的头盔。
本发明的系统和设备可以包含除了提供超声的那些部件之外的其它部件，这里可以将它们统称为其它部件。例如，可以使用本发明的设备将光波或电磁能提供给大脑。图2示出了包含像向大脑提供电磁能的部件那样的其它部件的本发明超声设备的示范性实施例。这样的设备可以用于使用电磁辐射刺激或抑制大脑的活动，或通过在超声波之前，在超声波之后，或在输送超声波期间同时输送电磁能，使超声波或多或少对改变大脑活动有效。图4例示了设备可以包含的各种其它部件。可以向或从本发明的超声设备发送信息，可以将处理器或微处理器和微控制器、计算机接口设备、计算机和软件用在这样的信息的传送中。本发明的设备可以包含用于通过包括但不限于EEG、MEG、IR激光器和PAT、或fNIRS的检测方法，测量或检测像心率、血压、像血红蛋白的含氧量那样的血氧水平、激素水平、或大脑活动那样的生理状态指标的部件。本发明的设备可以包含用于像GPS那样的地理或全球定位，或设备和它的佩戴者的位置的其它导航检测的部件。可以向和从像集中计算集群那样的远程命令中心发送信息和命令，其中远程命令中心可以控制设备包含的一个或多个其它部件。可以向和从像PDA或蜂窝式电话那样，包含屏幕或其它信息设备、对象可以访问，因此控制设备的部件的便携式远程命令中心发送信息和命令。可以使用包括但不限于1^、1正1、11獻乂、蓝牙』册/￥册、65]^0獻、1^队14队或11^/1 、在现有技术中已知的 方法与板载或位于远程的设备和控制器通信。图5例示了包含包括超声换能器、微处理器/微控制器、向和从远程命令中心发送信息和控制的COM设备的部件的设备，这些部件都包含在设备的头盔部分，主体中。图6例示了包含局部或全球定位部件的示范性超声设备。例如，微处理器接收来自GPS单元的信息。GPS数据可以由集成在超声设备中的微处理器处理。这个信息可以用于激活超声换能器以生成超声，以便刺激大脑结构，例如，前庭系统的一个或多个部分和/或修改前庭眼反射。这有助于用户的导航，例如，通过使对象佩戴者的身体取向和位置发生改变。超声设备的GPS部件可以用于定位、跟踪、或向戴着设备的对象或远程命令中心提供导航支持。GPS部件可以用于定位和跟踪戴着设备的对象。图7例示了含有像可移动或可旋转超声换能器那样的可移动或可旋转部件的示范性设备。超声场可以通过使用安装在1-，2_，3-空间轴运动控制器上的换能器人工或自动调整，或本地或远程控制。透入大脑中的超声的方向可以被修改、聚焦或向大脑提供超声波的扫描动作。信号可以发送给运动控制器以便一次或多次地改变所安装的换能器的位置，或可以为换能器提供匀速运动(扫描)。图7还例示了像大脑活动传感器那样的其它部件。本发明包含用于调节大脑结构中的活动的系统。例如，调节大脑结构中的活动的系统可以包含至少一个超声换能器的支承件；至少一个超声换能器；以及至少一个超声部件的指令。例如，该支承件可以是包含像超声换能器那样的部件的主体或元件。该指令可以包含驱动超声换能器以所希望频率、强度或波形提供超声波的来自微处理器或微控制器的命令。本发明用于提供超声的系统和设备可以包含具有使光或声弯曲和可以聚焦波的材料的头盔。包括但不限于超级透镜、超透镜或超材料、和其它类似部件的这样材料可以用在本发明的方法和设备中聚焦超声波。例如，任何类型的换能器与像声学超透镜、超级透镜或超材料那样的聚焦元件结合，用于聚焦衍射极限以下的超声波，并提供给大脑中的一个或多个部位，以便调节大脑活动。这样的材料可以使光或声向后折射，或具有负折射率，称为“超材料”。像超材料那样的聚焦元件可以与一个或多个换能器结合，和/或与换能器的相控阵列结合在一起使用，以便将超声波聚焦或引导到一个或多个大脑区域。本发明的超声设备可以根据预期的应用由不同材料构成。例如，在超声设备包含个人防护头盔的一些方面中，用在这样头盔的构造中的材料可以包括模制聚碳酸酯塑料(即，GE Lexan)、碳纤维复合物、和/或ABS材料。在其它方面中,超声设备可以包含用于战斗、战术、军事、和/或国家安全人员的防弹头盔。用在这样头盔的构造中的材料可以包括利用碳纤维强化的热复合材料(混合热塑性材料)、杜邦芳纶、杜邦马克111、霍尼韦尔光谱纤维、帝斯曼迪尼玛、芳纶/聚乙烯醇缩丁醛酚醛组合物、热塑性聚氨酯、聚苯硫醚、聚丙烯、和/或聚乙烯。在超声设备用于医疗干预或治疗的方面中，头部设备部分可以由任何塑料或复合材料构成，以及可以由如下材料制成或包括如下材料像铝、钛、钢铁那样的金属、和陶瓷金属复合物。超声设备，例如，用在包含视频游戏/娱乐、飞机/太空头盔、和/或通信应用的方法中的那种超声设备的方面可以使用任何合适材料构成。这些设备可以包含像天然和/或合成原料料那样的其它材料，譬如，尼龙、乙烯基、皮革、钼、铜、银、金、锌、镍、和像聚甲醛那样的基于聚合物的塑料，但不限于这些。根据超声设备的实施例和预定使用，本 发明的超声设备还可以包含发光二极管(LED)、有机发光发光二极管(0LED)、激光二极管、电磁线圈、和/或环氧树脂。构成像头盔那样的头部设备的材料和方法是本领域的普通技术人员所熟知的。本发明包含用于治疗或减轻这里可以称为脑创伤的创伤性脑损伤(TBI)的设备和方法。TBI可能由像战斗受伤、体育对大脑的创伤或由像车祸或坠落那样的事故造成的创伤那样，可能引起TBI的一次或多次活动造成。虽然一些脑损伤有直接和明显的物理效应，但与源于战斗或爆炸受伤或体育相关受伤的轻度脑震荡相联系的一些TBI事件最初可能是轻度的，但随着时间的推移越来越严重。在初始脑损伤之后，继发性伤害可能扩散到整个大脑，并且可能导致由细胞死亡、兴奋毒性、和继发性损伤引发的其它事件引起的严重精神、认知、感觉、情绪和身体伤害。继发性损伤可能在原发性损伤之后持续几小时，几天到几个月。本发明的方法和设备减轻了 TBI之后继发性损伤的有害后果，提供了更好的康复，并且使缓发损伤期间引起的伤害最小。本发明的方法和设备减轻，最大程度地减小和/或消除了源于TBI的原发性和继发性损伤，或由军事或作战人员的子弹或爆炸受伤或有关平民意外事故引起的其它脑损伤。提供超声波的本发明的设备可以用于治疗、改善、减轻、最大程度地减小和/或消除源于TBI的原发性和继发性损伤，或由像汽车、自行车或滑板事故那样的意外头部创伤、或像在美式足球、曲棍球、足球、橄榄球或冰球中常见的那些那样的体育相关脑震荡损伤引起的其它大脑损伤。这些设备可以包含像军事人员或体育参与者常戴的头盔那样的个人防护头部设备，或可以配备成由像医生和/或EMT那样的急救人员管理的医疗设备。本发明的方法包含通过将有效数量的超声提供给受到创伤的大脑区域或该创伤引起继发性损伤的周围或远程大脑区域来治疗或改善创伤对大脑的影响，所述超声可以由本发明的超声设备提供。可用在治疗TBI中的本发明的设备可以提供可以调节大脑功能、具有范围从25kHz到50MHz的频率和范围从0. 025到250W/cm2的强度的聚焦和/或未聚焦超声，并且通过调节脑血管动力学(血管扩张/血管收缩)、神经元回路(生物电)活动的直接修改(抑制)、神经元回路活动的直接激发、调节细胞内钙离子浓度的缓冲、和/或增加像脑源性神经营养因子(BDNF)那样的神经营养因子的合成和/或释放，来提供神经保护。一种设备可以在从事风险相关活动期间提供给像人或动物那样的对象的头部，或只要有需要，例如，从初始损伤之后的500毫秒到几年提供给对象。本发明的一个方面包含在像对车祸作出响应的迅速响应状况下，或在头部受力事件之后对对象进行评估期间使用本发明的超声设备，以便减轻对大脑的继发性损伤。使用时，可以响应像压力/力传感器检测的震荡打击那样的外部事件自动激活设备，或可以由戴着设备的对象或由其它适当人员与对象直接接触或通过远程激活来激活设备。一种设备可以包含压力/或力换能器或传感器，以便检测冲击设备佩戴者头部的力事件。压力/或力换能器或传感器可以与包含在设备中或处在远处的控制器或微处理器通信，以启动激活至少一个换能器，将超声提供给设备佩戴者，最大程度地减轻随后对头部的继发性损伤所需的步骤序列。一种设备可以包含帮助医疗人员定位受伤对象、像用于与附着的设备传送受伤对象的全球位置的GPS收发器那样的全球定位能力。 本发明包含用于使用经颅脉冲超声刺激深处或浅表脑回路中的正常脑电波活动模式的方法。本发明包含使用经颅脉冲超声，例如，通过刺激尖波纹波振荡，或包括
9、或a的任何其它频带中的活动，来修改像学习和记忆那样的认知过程。尽管不希望受任何特定理论约束，但可以相信尖波纹波振荡构成巩固记忆的基础。脉冲经颅超声方法可以用于调节BDNF信令，以及，例如，作为突触可塑性和学习的基础的其它细胞级联介导过程。这样的方法可以包含一次或多次地将超声施加于一个或多个大脑区域。这些方法包含连续地，或如有必要，每隔一定时段地将超声波施于大脑，以便影响大脑区域和达到所希望结果。这里公开了这样的方法。本发明包含使用经颅脉冲US刺激一个或多个完好大脑回路的方法，其中这样的方法不需要外生因素或手术。由于响应US刺激波形使温度升高〈O. 01° C (图OT)，所以本发明的一个方面包含占主导非热(机械)作用机制。尽管不希望受任何特定理论约束，但可以认为US的非热作用可以从成洞一例如，辐射力、声流化、冲击波、和应变神经调节方面来理解，其中US对神经元的细胞环境产生流体力学效应，以便调节它们的静息膜电位。US引起的离子通道的直接激活也可以代表作用机制，因为影响神经元兴奋性的许多电压门控钠、钾、I丐离子通道支配着机械敏感门控动力学(Morris和Juranka, 2007)。脉冲US也可以产生神经元间接触作用，或生成构成US刺激完好大脑回路的能力的基础、建议成为同步活动方面的基础(Anastassiou等人,2010 ；Jefferys和Haas, 1982)的空间非均勻电场。本发明的方法、系统和设备包含使用脉冲US来探索大脑回路的内在特性。例如，运动皮质的US刺激产生活动的短脉冲串(〈100毫秒)和周边肌肉收缩，而利用类似波形对海马的刺激触发持续2-3秒的特有节奏突发(复发活动)。利用US对给定大脑区域的刺激可以根据功能连通性介导更宽广的回路激活。已经针对像TMS那样的其它经颅脑刺激手段(Huerta和Volpe, 2009)显示和讨论了这样的能力。例如，本发明设想US对皮质丘脑、皮质皮层、丘脑皮层通路中的活动的影响。利用经颅脉冲US的大脑激活可以取决于麻木平面。例如，当老鼠处在中度到浅度麻木平面(对尾巴夹痛的轻度反应)中时，US唤起的活动在多次重复试验中都高度一致。当使用利用声准直管(d=2mm (毫米))的经颉US大脑刺激方法时,如c_fos活动所指(图15)，皮层激活体积的估计值可以是 3_3。这种激活的脑体积可以受沿着实现的背腹US传输路径的解剖特征限制(例如，胼胝体限制皮质的激活深度)。观察到的I. 5-2. Omm横向激活区域代表更可靠的测量值，并且比通过经颅磁刺激(TMS) (Barker，1999)提供的^ Icm横向空间分辨率好大约五倍。由于US赋予的毫米级空间分辨率，构成的US场可以用于驱动稀疏分布的大脑回路中的模式化激活。类似地，利用声学超材料(具有负折射率)的聚焦使得对于US可以达到亚衍射空间分辨率(Zhange等人，2009)。对于神经刺激，可以使用0. 5MHz US精确对准〈I. Omm的大脑区域。这样的空间尺度使用于大脑刺激的经颅US可适用于多种多样的研究和临床应用。聚焦通过包括人的那些在内的头盖骨的US可以使用排列在相控阵列中的换能器来实现。最近的临床研究报告了使用经颅MRI引导高强度聚焦超声(0.65MHz，>1000W/cm2)进行非侵入丘脑切开手术(d=4. 0mm),以便使用相控阵列将通过完好人头盖骨的US聚焦到深处丘脑核来治疗慢性神经性疼痛(Martin等人，2009)。本发明设想了非侵入性刺激人脑回路的脉冲US。本发明包含同时或依次使用两种疗法的方法。由于US可容易地与磁共振成像(MRI)兼容，所以在完好、正常或患病大脑的功能性的脑映射中，在MRI成像期间同时将脉 冲US用于脑回路刺激是可行的。本发明方法的一些方面包含如结合TMS(Pascual-Lenone等人，1994)所示，将脉冲US用于诱发内源性脑可塑性的形成。在这样的实施例中，脉冲US驱动显示为像记忆痕迹形成那样的某些认知过程的基础的特定大脑活动模式(Girardeau等人，2009 ;Nakashiba等人，2009)。例如，在老鼠中，经颅US可以促进尖波纹波振荡(图16C)和刺激内源性BDNF的活动(图16D)、大脑可塑性的重要调节、和海马相关的记忆巩固(Tyler 等人，2002)。本发明的方法包含阻止记忆形成和记忆巩固，以防止短期和/或长期记忆的形成。这样的方法包括用于治疗、改善、或减轻像由作战压力引起的那种那样的创伤后应激障碍(PTSD)的方法。其它方法包括将本发明的设备用在改变或防止形成对象的记忆是有益的或有必要的应用中。一种设备可以包含防弹头盔和/或由戴着设备的对象或由其它人员管理超声治疗的其它可头戴设备。一种设备可以在治疗方法中提供频率范围从25kHz到50kHz和强度范围从0. 025到250W/cm2的聚焦和/或未聚焦超声，以改变神经元可塑性的方式调节大脑功能，以便阻止与特定事件有关的记忆的形成。这样的方法可以包含利用化学、电、磁或基因方法进行前期、同期或后期治疗，以便增强记忆控制。本发明的方法包含通过向大脑的记忆中心提供超声改变突触可塑性。如果想忘掉记忆，则将超声方法用于降低突触可塑性或促进像长期抑郁那样某些类型的突触可塑性，而如果想保留记忆，则提高像长期增强那样的突触可塑性。记忆中心中可塑性的促进可用在治疗痴呆症、阿尔茨海默氏症、或像由中风那样的其它事件引起的记忆丧失中。大脑的记忆中心包含边缘系统、前额叶皮质、海马、杏仁核、小脑、和包括布罗德曼区34和28的内嗅区皮质。本发明的方法包含通过将有效数量的超声提供给大脑区域，阻止或抑制对象中的记忆形成，其中大脑区域包括海马结构、海马本体、边缘系统、杏仁核、丘脑、小脑、纹状体、内嗅区皮质、鼻周皮质、大脑皮质(包括前额叶皮质、听觉皮质、视觉皮质、体感皮质和/或运动皮质)、所述区域的传入神经或传出神经、或它们的组合。本发明的方法包含比事件早，例如，大约I分钟，10分钟，20分钟，30分钟，40分钟，I小时，I. 5小时，I. 75小时，2小时，
2.5小时，2. 75小时，3小时，3. 5小时，4小时，或在想阻止对象的记忆的事件之前的大约4. 5小时内，可选地使用这里所述的超声设备将超声提供给对象，以及可选地，在事件期间，和可选地在事件发生之后，例如，在至少I分钟，10分钟，20分钟，30分钟，I小时，I. 5小时，2小时，2. 5小时，3小时，3. 5小时，4小时，4. 5小时，5小时，5. 5小时，6小时，6. 5小时，7小时,7. 5小时，8小时，8. 5小时，9小时，9. 5小时，10小时，10. 5小时，11小时，11. 5小时，12小时，12. 5小时，13小时，13. 5小时，14小时内，或如果有必要，在事件之后的更长一段时间内，将超声提供给对象，从而抑制记忆形成和存储。一些方法还包含在提供超声之前，期间或之后提供化学、药物、电、磁或光治疗。本发明的方法包含使用这里所述的设备提供超声。提供超声以防止记忆形成的人脑目标包括但不限于海马结构、海马本体、杏仁核、丘脑、小脑、纹状体、内嗅区皮质、鼻周皮质、和大脑皮质(包括前额叶皮质、听觉皮质、视觉皮质、体