一种超声换能器的实时导航方法及系统技术方案

本申请公开了一种超声换能器的实时导航方法和系统，该导航方法包括：建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于超声时间反演对称性计算超声换能器的摆放位置及角度；实时获取所述超声换能器的在空间定位设备坐标系下的坐标，并转换为被试头部的三维模型坐标系下的坐标；对所述超声换能器的位置及角度进行实时矫正。

A Real-time Navigation Method and System for Ultrasound Transducer

【技术实现步骤摘要】
一种超声换能器的实时导航方法及系统
本专利技术涉及经颅超声刺激神经调控
，且特别涉及一种超声换能器的实时导航方法及系统。
技术介绍
过去几十年的时间里，已经出现了多种神经调控技术，例如经颅磁刺激(TMS)、经颅超声刺激(TUS)、深部脑刺激(DBS)和经颅直流电刺激(TDCS)等方法。这些神经调控技术通过对脑内特定部位施加特定模式的物理刺激来实现对脑功能的探测或对脑疾病的治疗。其中，经颅超声刺激(TUS)采用低频低强度的脉冲聚焦超声穿透皮肤、颅骨等头部组织，聚焦于颅内一个较小的区域，实现对该区域内(以及与该区域相关联的脑区)的神经活动的调控(增强或抑制)。聚焦超声可以穿透头皮和颅骨组织后依然保持较好的聚焦性，从而具有高的空间分辨率，且能够对深部的脑区进行精准刺激；另一方面，超声波是一种机械性波，不会干扰电场和磁场，因此TUS与神经电信号及磁共振影像兼容，使用者能够在进行超声刺激的同时记录神经电活动或磁共振影像数据。在安全性方面，TUS使用低强度的脉冲超声进行功能性刺激。现有研究表明TUS不引发脑组织的功能性或器质性损伤，是一种安全的非侵入式神经调控技术。使用者无法直接观察到低频聚焦超声经过头皮和颅骨后的聚焦位置以及预设的目标靶点位置，需要一个合适的导航系统对超声换能器的摆放进行引导以实现经颅超声的焦域和目标靶点的对位。颅骨的形状、厚度等在不同个体间有明显的差异，颅骨会对穿过它的超声波产生影响，引起超声波的传播方向发生一定量的偏折，从而导致经颅超声的焦域发生偏移。现有的神经调控的导航技术有多种，包括基于红外光学的导航技术和基于功能磁共振的导航技术。基于功能磁共振的导航技术对设备要求高，技术复杂，环境适应性差且成本高。基于红外光学的导航技术和系统广泛被用于经颅磁刺激的导航。但用于经颅磁刺激的这些红外光学导航系统没有考虑到颅骨等脑组织对声场的影响，也就难以避免颅骨所导致的经颅声场焦域的偏移(相较于没有颅骨情况下)，难以对TUS实现高空间精度的导航。因此，为充分发挥TUS神经调控技术的高空间分辨率优势，专门针对TUS刺激的实时导航方法和系统有着重要价值和强烈的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于人体经颅超声刺激的实时导航方法和系统。该系统可用于规划经颅超声刺激路径，并实时引导超声换能器到预定的位置和角度，从而实现实时高空间精度的经颅超声刺激。为了解决上述问题，本申请公开了一种超声换能器的实时导航系统，包括：声场计算模块，被配置为建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于超声时间反演对称性计算出超声换能器摆放的预定位置及角度；图像数据重建模块，被配置为建立被试头部的三维模型；空间定位设备，被配置为获取所述超声换能器的位置和角度信息；坐标转换模块，被配置为将所述产生换能器在所述空间定位设备中的坐标转换为在所述图像数据重建模块中的坐标；导航模块，被配置为将所述超声换能器调整至预定位置及角度。在一个优选例中，所述声场计算模块建立融合被试头部的CT影像数据或/和磁共振影像数据的超声穿过颅骨的声场计算模型，确定靶点及刺激域，基于超声传播的时间反演对称性原理计算出可能的刺激路径，计算出对应于该可能的刺激路径的所述超声换能器所摆放的空间位置和角度参数。在一个优选例中，所述超声换能器发出声波的入射方向为所述靶点处的虚拟点声源发出的声波在所述刺激域处的出射方向的反方向。在一个优选例中，所述超声换能器和刺激域处头皮的距离与所述刺激域处头皮和所述靶点的距离之和近似等于超声换能器的焦距。在一个优选例中，所述图像数据重建模块导入被试头部的CT影像数据或/和磁共振影像数据，建立三维模型，并进行多平面显示。在一个优选例中，还包括：第一刚体和第二刚体，所述第一刚体为针状刚体，所述第二刚体固定于所述超声换能器的一端；所述第一刚体和第二刚体上各自独立设置若干个红外反射球。在一个优选例中，所述坐标转换模块分别获取被试头部的若干个位置点在所述空间定位设备、所述图像数据重建模块坐标系下的坐标位置，获得所述空间定位设备的坐标到所述图像数据重建模块坐标的转换矩阵。在一个优选例中，还包括：头部动作检测模块，用于检测被试头部的偏移；所述头部动作检测模块通过第三刚体检测被试头部的偏移，所述第三刚体上设置若干个红外反射球。本申请还公开了一种超声换能器的实时导航方法包括：建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于超声时间反演对称性计算超声换能器摆放的预定位置及角度；实时获取所述超声换能器的在空间定位设备坐标系下的坐标，并转换为被试头部的三维模型坐标系下的坐标；对所述超声换能器的位置及角度进行实时矫正。在一个优选例中，通过所述空间定位设备获取第一刚体的位置坐标与固定于所述超声换能器一端的第二刚体的位置坐标，通过所述第一刚体确定所述超声换能器出射面的轴心位置相对于所述第二刚体的偏移。相对于现有技术，本申请的超声换能器的实时导航方法和系统具有以下有益效果：本专利技术提出的实时导航方法和系统，能够基于超声传播的时间反演对称性原理，只需要进行一次虚拟点声源的传播计算，就可以提前进行经颅超声路径规划，修正经颅超声神经调控中超声在颅内传播的焦域偏移的影响，确定超声换能器所需摆放的位置和角度，并实时引导超声换能器到此预期的位置和角度上，无需在每次超声换能器位置调整后都重新进行经颅声场的计算，从而实现实时高空间精度的经颅超声刺激功能。同时该导航方法和系统扩展便捷，只需要在不同超声换能器上绑定不同型号刚体，通过空间定位设备可以同时实时采集多个不同型号刚体的位置和角度信息，从而实现多个超声换能器的提前路径规划和实时追踪导航功能。多个超声换能器的导航仅仅在刚体型号选择上有不同，其余步骤与单超声换能器导航相同。附图说明图1示出了本专利技术一实施例中的超声换能器的实时导航系统的框图；图2示出了本专利技术一实施例中的基于超声时间反演对称性计算超声换能器摆放位置和角度的示意图；图3示出了本专利技术一实施例中的第一刚体做轴端固定旋转的示意图；图4示出了本专利技术一实施例中的确定超声换能器与第二刚体位置偏差的示意图；图5示出了本专利技术一实施例中超声换能器在空间定位设备坐标系下的坐标转换为被试头部的三维模型坐标系下的坐标，并调整超声换能器位置和角度的示意图；图6示出了本专利技术一实施例中超声换能器的实时导航方法的流程图。具体实施方式在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各项权利要求所要求保护的技术方案。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步地详细描述。部分概念说明：TUS，TranscranialUltrasoundStimulation，经颅超声刺激，指由聚焦超声换能器或平面超声换能器所发出的超声波穿过头皮颅骨等形成对颅内脑组织的刺激MRI，MagneticResonanceImaging，磁共振成像CT，ComputedTomography，电子计算机断层扫描PivotRotation，轴端固定旋转参考图1所示，本申请公开了一种超声换能器的实时导航系统10，包括：声场计算模块11、图像数据重建模块12、基于红外光学的空间定位设备13、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声换能器的实时导航系统，其特征在于，包括：声场计算模块，被配置为建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于超声时间反演对称性计算出超声换能器摆放的预定位置及角度；图像数据重建模块，被配置为建立被试头部的三维模型；空间定位设备，被配置为获取所述超声换能器的位置和角度信息；坐标转换模块，被配置为将所述超声换能器在所述空间定位设备中的坐标转换为在所述图像数据重建模块中的坐标；导航模块，被配置为将所述超声换能器调整至预定位置及角度。

【技术特征摘要】
1.一种超声换能器的实时导航系统，其特征在于，包括：声场计算模块，被配置为建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于超声时间反演对称性计算出超声换能器摆放的预定位置及角度；图像数据重建模块，被配置为建立被试头部的三维模型；空间定位设备，被配置为获取所述超声换能器的位置和角度信息；坐标转换模块，被配置为将所述超声换能器在所述空间定位设备中的坐标转换为在所述图像数据重建模块中的坐标；导航模块，被配置为将所述超声换能器调整至预定位置及角度。2.如权利要求1所述的实时导航系统，其特征在于，所述声场计算模块建立融合被试头部的CT影像数据或/和磁共振影像数据的超声穿过颅骨的声场计算模型，确定靶点及刺激域，基于超声传播的时间反演对称性原理计算出可能的刺激路径，计算出对应于该可能的刺激路径的所述超声换能器所摆放的空间位置和角度参数。3.如权利要求2所述的实时导航系统，其特征在于，所述超声换能器发出声波的入射方向为所述靶点处的虚拟点声源发出的声波在所述刺激域处的出射方向的反方向。4.如权利要求2所述的实时导航系统，其特征在于，所述超声换能器和刺激域处头皮的距离与所述刺激域处的头皮和所述靶点的距离之和近似等于超声换能器的焦距。5.如权利要求1所述的实时导航系统，其特征在于，所述图像数据重建模块导入被试头部的CT影像数据或/和磁共振影像数...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙俊峰，施政恺，刘凯，童善保，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31