一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法技术

本发明专利技术为一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，包括步骤一、在颅脑内选取多个聚焦点，对每个聚焦点预设声压得到声压矩阵；步骤二、计算超声对每个聚焦点的前向传播向量，并构造超声的前向传播矩阵；步骤三、计算超声的前向算子伪逆矩阵；步骤四、将超声的前向算子伪逆矩阵与步骤一的声压矩阵相乘，得到阵列控制矩阵；步骤五、对阵列控制矩阵的每个元素求模与相角，将每个元素的模作为超声相控阵列换能器中的相控阵列对应位置的阵元中心点的振动速度幅值，将每个元素的相角作为超声相控阵列换能器中的相控阵列对应位置的阵元发射波的相位。该方法能够使声场在声轴不同深度以及声轴同一深度不同位置处形成有效聚焦，且聚焦点声压强度可控。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法
本专利技术涉及无创神经调控
，具体是一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法。
技术介绍
低强度聚焦超声作为一种新兴的无损脑神经调控手段，以其非侵入性、高空间分辨率等优点受到广泛关注，低强度聚焦超声的频率和强度较低，一般其强度低于临床诊断检查所用超声，安全性高。低强度聚焦超声具有神经调控作用且不会诱发组织损伤，其符合安全神经调控物理刺激的因子要求。利用低强度聚焦超声不仅能对大脑皮层脑区进行神经调控，将超声与静磁场结合产生的感应电场还可实现海马、丘脑等区域的神经调控，对治疗神经疾病显著效果。目前主要通过时间反演法使声场在颅脑内聚焦，该方法主要关注聚焦点的位置，而不能灵活控制聚焦点的声压强度，因此调控效果不佳。因此，本专利技术提出了一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，不仅能准确聚焦位置，而且能对聚焦点处的声压强度进行灵活控制。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、在颅脑内选取M个聚焦点，对每个聚焦点预设声压，得到声压矩阵PM；步骤二、根据超声相控阵列换能器声压传播公式分别计算超声对每个聚焦点的前向传播向量，利用所有聚焦点的前向传播向量构造超声的前向传播矩阵HM，聚焦点个数和超声相控阵列换能器的阵元个数分别为超声的前向传播矩阵HM的行数和列数；步骤三、对超声的前向传播矩阵HM求伪逆矩阵，得到如式(6)的超声的前向算子伪逆矩阵式(6)中，为超声的前向传播矩阵HM的共轭转置矩阵；步骤四、将超声的前向算子伪逆矩阵与步骤一的声压矩阵PM相乘，得到式(7)的阵列控制矩阵UN；步骤五、对阵列控制矩阵中的每个元素求模与相角，然后将阵列控制矩阵中每个元素的模作为超声相控阵列换能器中的相控阵列对应位置的阵元中心点的振动速度幅值，将阵列控制矩阵中每个元素的相角作为超声相控阵列换能器中的相控阵列对应位置的阵元发射波的相位。对于由矩形阵元构成的一维线阵，超声相控阵列换能器声压传播公式为；式(1)中，p为一维线阵在聚焦点产生的声压；i为虚数单位；ρ、c分别为矩形阵元所在介质的密度和超声在矩形阵元所在介质中的传播速度；w、h分别为矩形阵元的宽度和高度；λ为超声波长；N为阵元个数；un为垂直于声源表面的质点速度；k为波数；R为第m个聚焦点与第n个矩形阵元中心点之间的距离，m∈M,n∈N；xn,yn分别为第n个矩形阵元的中心坐标；超声的前向传播矩阵HM中，第m行第n列的元素hmn满足式(5)：式(1)、(5)中，R满足式(2)：式(2)中，Δx,Δy,Δz分别为第m个聚焦点与第n个矩形阵元中心点在x,y,z轴方向的坐标差。式(2)中的Δx满足式(3)：式(3)中，d1为第n个矩形阵元中心点与介质交界面沿x方向的距离，d2为聚焦点F1与介质交界面沿x方向的距离，c1、c2分别为超声在水和脑组织中沿x方向的传播速度，θn为第n个矩形阵元发射波方向与声轴之间的夹角；同理，式(2)中的Δy满足式(4)：式(4)中，d'1为第n个矩形阵元中心点与介质交界面沿y方向的距离，d'2为聚焦点F1与介质交界面沿y方向的距离，c'1、c'2分别为超声在水和脑组织中沿y方向的传播速度，θ'n为θn的余角；由于各矩形阵元中心点与各聚焦点位于同一平面内，故Δz为零。步骤五中，若阵列控制矩阵UN的第一个元素u11＝a+bi，则将复数u11的模作为超声相控阵列换能器中的相控阵列第一个矩形阵元中心点的振动速度幅值，将复数u11的相角作为超声相控阵列换能器中的相控阵列第一个矩形阵元发射波的相位。步骤一中所有聚焦点位于超声相控阵列换能器声轴上或者位于颅脑同一深度的不同位置。若颅脑的背腹向尺寸为9.8～10.2mm，聚焦点为两个且聚焦点位于声轴上，则两个聚焦点的最小可分辨间距为3mm，最大可分辨间距为8mm。当所有聚焦点位于颅脑同一深度不同位置时，若聚焦点个数为偶数，则所有聚焦点关于声轴对称分布；若聚焦点个数为奇数，则声轴上分布一个，其余聚焦点关于声轴对称分布。若颅脑的头尾向尺寸为8.8～9.4mm，聚焦点为两个，则两个聚焦点的最小可分辨间距为1.4mm，最大可分辨间距为9mm。与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果是：1、本专利技术基于伪逆矩阵法，通过调节聚焦时各个阵元中心点振动速度幅值、阵元发射波的相位，能够使声场在声轴不同深度以及声轴同一深度不同位置处形成有效聚焦，且聚焦点声压强度可控，不仅关注聚焦点位置，还能实现对聚焦区域声场强度的灵活调控，并在颅脑区域不同位置产生神经调控所需的特定强度的声压，对颅脑形成有效刺激。2、经过本专利技术的相控方法调控后聚焦声场的边界清晰，且声压强度聚焦度高，能够对特定区域进行精准调控，提高了神经调控精度，增强了神经疾病的治疗效果。3、由于超声在水和脑组织中的传播会发生折射，因此对聚焦点和阵元之间的距离进行修正，使得超声能够准确达到聚焦点。4、将经过本专利技术调控产生的聚焦声场与其他物理场(例如静磁场、电场)结合，可使神经组织中带电粒子定向移动，可以无创调控神经元放电，对治疗癫痫、帕金森等由神经元异常放电引起的神经类疾病具有积极效果。附图说明图1为本专利技术实施例1的两个聚焦点在大鼠颅骨内的分布示意图；图2为本专利技术超声在不同介质中的传播示意图；图3为本专利技术实施例1中两个聚焦点之间取最小可分辨间距时的聚焦效果图；图4为图3中两个聚焦点处的声压强度分布示意图；图5为本专利技术实施例1中两个聚焦点之间取最大可分辨间距时的聚焦效果图；图6为图5中两个聚焦点处的声压强度分布示意图；图7为本专利技术实施例2的两个聚焦点在大鼠颅骨内的分布示意图；图8为本专利技术实施例2中两个聚焦点之间取最小可分辨间距时的聚焦效果图；图9为图8中两个聚焦点处的声压强度分布示意图；图10为本专利技术实施例2中两个聚焦点之间取最大可分辨间距时的聚焦效果图；图11为图10中两个聚焦点处的声压强度分布示意图；图12为本专利技术实施例2中三个聚焦点之间取最小可分辨间距时的聚焦效果图；图13为图12中三个聚焦点处的声压强度分布示意图；图14为本专利技术实施例2中三个聚焦点之间取最大可分辨间距时的聚焦效果图；图15为图14中三个聚焦点处的声压强度分布示意图；图中，1-超声相控阵列换能器；2-水；3-大鼠颅骨。具体实施方式以下结合具体附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步详细描述，并不用于限定本申请的保护范围。本专利技术为一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、在颅脑内选取M个聚焦点，对每个聚焦点预设声压，得到声压矩阵P

【技术特征摘要】
1.一种基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在颅脑内选取M个聚焦点，对每个聚焦点预设声压，得到声压矩阵PM；
步骤二、根据超声相控阵列换能器声压传播公式分别计算超声对每个聚焦点的前向传播向量，利用所有聚焦点的前向传播向量构造超声的前向传播矩阵HM，聚焦点个数和超声相控阵列换能器的阵元个数分别为超声的前向传播矩阵HM的行数和列数；
步骤三、对超声的前向传播矩阵HM求伪逆矩阵，得到如式(6)的超声的前向算子伪逆矩阵



式(6)中，为超声的前向传播矩阵HM的共轭转置矩阵；
步骤四、将超声的前向算子伪逆矩阵与步骤一的声压矩阵PM相乘，得到式(7)的阵列控制矩阵UN；



步骤五、对阵列控制矩阵中的每个元素求模与相角，然后将阵列控制矩阵中每个元素的模作为超声相控阵列换能器中的相控阵列对应位置的阵元中心点的振动速度幅值，将阵列控制矩阵中每个元素的相角作为超声相控阵列换能器中的相控阵列对应位置的阵元发射波的相位。


2.根据权利要求1所述的基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，其特征在于，对于由矩形阵元构成的一维线阵，超声相控阵列换能器声压传播公式为；



式(1)中，p为一维线阵在聚焦点产生的声压；i为虚数单位；ρ、c分别为矩形阵元所在介质的密度和超声在矩形阵元所在介质中的传播速度；w、h分别为矩形阵元的宽度和高度；λ为超声波长；N为阵元个数；un为垂直于声源表面的质点速度；k为波数；R为第m个聚焦点与第n个矩形阵元中心点之间的距离，m∈M,n∈N；xn,yn分别为第n个矩形阵元的中心坐标；
超声的前向传播矩阵HM中，第m行第n列的元素hmn满足式(5)：



式(1)、(5)中，R满足式(2)：



式(2)中，Δx,Δy,Δz分别为第m个聚焦点与第n个矩形阵元中心点在x,y,z轴方向的坐标差。


3.根据权利要求2所述的基于无损脑神经刺激聚焦声场的相控方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，李梦迪，王艺潇，焦立鹏，徐桂芝，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12