[发明专利]用于经颅超声刺激的超声换能器的实时导航方法及系统

说明书

本申请提供了用于经颅超声刺激的超声换能器的实时导航方法，包括以下步骤：(b)基于超声换能器的初始位置和角度，进行正向经颅超声声场仿真计算，得到超声换能器产生的经颅超声声场的仿真声学焦点的位置；(c)利用梯度下降法，计算得到中间轮次的超声换能器的位置和角度；(d)基于步骤(c)中计算得到的中间轮次的超声换能器的位置和角度，进行正向经颅超声声场仿真计算，得到此轮中的超声换能器产生的经颅超声声场的仿真声学焦点；(e)重复迭代步骤(c)和(d)，得到用于导航的最佳超声换能器的位置和角度；该方法能够有效降低颅骨带来的超声焦点位置偏移误差，引导超声换能器的放置让超声的焦点精确地落在颅内预定刺激靶点上。

技术领域

本发明涉及神经调控和脑功能检测领域，特别涉及一种用于经颅超声刺激的超声换能器的实时导航方法及系统。

背景技术

经颅超声刺激(TUS)利用低频低强度的聚焦超声，跟现阶段其他常见的非侵入式神经调控技术诸如经颅直流电刺激(tDCS)、经颅磁刺激(TMS)等相比具有空间分辨率高和聚焦深度深的特点。目前，已有一批研究展示了TUS对健康受试者的大脑神经活动的即时性调控效应和持续性调控效应，能引起人脑皮层的可塑性变化，也有临床研究报道了TUS在癫痫、脑卒中、意识障碍等神经或精神类脑疾病的应用。这些研究结果显示TUS在人类脑功能研究和脑疾病临床治疗上具有很大的潜力。然而，要充分发挥TUS技术的高空间分辨率的优点，需使得超声波穿过颅骨等脑组织后精确聚焦于目标治疗靶点，这在技术上具有挑战性，需要克服不同因素带来的各种困难。

在目前的TUS实际应用中，使用者一般是通过手动确定超声换能器的粗略位置，或者通过适用于其他神经调控技术如TMS的导航系统来引导放置超声换能器。由于超声波穿过颅骨等脑组织的过程中会发生超声传播方向的偏折，从而导致在颅内聚焦的焦点相对于在没有颅骨等脑组织情况下的焦点出现位置偏移和形状畸变。现有的适用于其他神经调控技术的导航系统未能考虑到声场经颅传播对焦点位置的影响，从而导致难以引导放置超声换能器到达合适的位置而使得经颅超声精准地聚焦到目标靶区。

为了解决上述问题，需要开发一种适用于经颅超声刺激的导航方法和系统，该方法和系统通过融入快速的经颅声场仿真计算结果到导航系统，从而实现对TUS的高空间精度的导航。首先，因为大脑颅骨对于超声波传播方向的偏折使得无法通过焦点与超声换能器的相对位置来直接确定实际经颅声场的焦点的位置；同时，又由于在神经调控过程中，低强度聚焦超声在颅内的声压或者声强难以进行实时测量，故而无法通过实时测量的数据来反馈引导调整超声换能器位置和朝向。解决这一难题的一个方法是通过头颅的影像信息来检测出头皮、颅骨等脑组织的结构信息，然后基于这些脑组织结构信息及声学特性来进行超声传播仿真计算，以确定超声换能器相对于刺激靶点的放置位置和朝向。

在经过仿真得到超声换能器预期的入射朝向和位置后，需要通过一种手段将现实中的换能器引导放置到该预期位置。同时因为经颅聚焦超声是非侵入式的，无法直接观测脑内部的组织结构。结合以上的要求，一种可行的导航方案是采用无框架的神经导航技术。

针对神经调控技术的导航系统主要分为两种：基于磁共振引导的导航技术和基于光学的导航技术。基于磁共振的导航系统的精度高，但是对于其他手术设备的要求高，技术操作难度较高；而且，用于神经调控的低强度聚焦超声引起的脑组织温度变化很小，这微小的温度变化难以通过磁共振成像技术检测出来。基于光学的导航系统操作简单，成本低，对使用环境要求低，与TUS技术有很高的适配性。

目前，现有技术中也提出了TUS导航方案，但这些方案在声场仿真方案上没有考虑到实际聚焦超声刺激其实是正向传播的，基于时间反演方法的技术方案得到的超声换能器在摆放位置发射的超声波在颅内的聚焦焦点依然可能与目标靶点存在一定程度的空间误差；且这些方案也未能提供可视化的声场分布信息来引导超声换能器的放置。

因此，本领域急需开发一种用于TUS的超声换能器的实时导航方法及系统，以有效降低颅骨带来的超声焦点位置偏移误差，引导超声换能器的放置，从而让经颅超声的焦点精确地落在颅内预定刺激靶点上。

发明内容