一种穿颅多点超声聚焦声全息透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种穿颅多点超声聚焦声全息透镜，其通过以下方法形成：选择位于颅骨中的刺激靶点的位置做为虚拟声源点；对超声神经调控器件选择预定超声波频率；以刺激靶点的位置作为虚拟声源反向计算声波穿过颅骨模型之后在超声神经调控器件位置的相位信息；结合声全息透镜材料对声波相位的调控特性设计声全息透镜表面；根据获得的声全息透镜表面制备出穿颅多点超声聚焦声全息透镜。本发明专利技术的声全息透镜具有聚焦位置精确的优点。透镜具有聚焦位置精确的优点。透镜具有聚焦位置精确的优点。

A transcranial multipoint ultrasonic focusing acoustic holographic lens

【技术实现步骤摘要】
一种穿颅多点超声聚焦声全息透镜


[0001]本专利技术涉及透镜领域，特别涉及一种穿颅多点超声聚焦声全息透镜。

技术介绍

[0002]随着社会老龄化和日渐加深的心理压力等因素的影响，世界范围内包括帕金森病、肌张力失常、强迫症、抑郁症、癫痫等神经精神疾病患者的数量急剧增加，目前全球患者已逾五亿六千万。德国的科学家报道了电刺激下犬的大脑皮层可引发特定的躯体反应。这一重大发现，在此后的一个世纪催生了大脑电刺激、磁刺激、神经植入等系列干预技术，极大促进了人们对脑皮层功能定位的认识和脑疾病研究仪器的研发，并开启了情感、记忆、认知等脑功能调控和心理、精神疾病干预治疗的新篇章。利用超声实现非侵入式的深脑神经刺激，不仅安全有效，还可以实现定点特异性神经网络调控、多点网络神经调控等其他方法难以实现的功能,有助于开发中枢神经疾病的潜在疗法，也为探索正常人脑功能，理解认知、决策与思维、精确掌握神经环路活动带来了强有力的新工具。
[0003]超声作为一种机械波，是由物体(声源)振动产生，并通过压缩和膨胀媒质导致其传播。超声除了具有波的一般属性，还有一个重要特点，其在水、肌肉等人体组织内的衰减很小，可以抵达较深的人体组织。医学超声波与人体组织相互作用，主要应用了声波与物质相互作用的基本物理特性，具有波动效应、力学效应和热效应等三大声学效应，这些效应在生物医学中有着重要的应用或重大潜力。传统的超声基于波动效应和热效应，已经发展成为具有成像诊断和热消融治疗两大基本功能。波动效应可用于B超、彩超、造影等在临床具有十分广泛应用的超声成像诊断技术；热效应可用于肿瘤的热消融和神经核团毁损治疗，比如高强度聚焦超声(HIFU)。
[0004]超声神经刺激与调控的优势是其非侵入性质。超声在分子、细胞、动物和人脑水平的神经调控最新科学证据有力证明了超声可以穿过人的颅骨无创、有效调节突触可塑性、神经元调控和深部脑区神经核团。
[0005]利用经颅聚焦超声进行非侵入式深脑神经调节需要解决的关键问题之一，就是如何克服颅骨对超声的影响。颅骨的密度和声速都大约是其他人体软组织的两倍，声衰减系数则至少高出一个数量级，再加上颅骨具有多层、充液和多孔的非均匀性复杂结构，造成超声穿过颅骨后发生显著的相位畸变和能量衰减，超声焦域出现形状扭曲和位置偏移，以至无法进行精确有效的神经刺激(如图3所示)。此外，颅骨还有可能引起驻波等次生效应，特别是当使用低频和长脉冲超声时，可能在“头骨
‑
组织”及“空气
‑
组织”界面形成能量累积现象。
[0006]由于颅骨是非均匀介质，对穿颅声场散射较大，导致穿颅声场失真，声场聚焦位置不精确。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在克服现有技术存在的缺陷，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了
一种穿颅多点超声聚焦声全息透镜。所述穿颅多点超声聚焦声全息透镜通过以下方法形成：
[0008]提供颅骨模型；
[0009]选择位于颅骨中的刺激靶点的位置做为虚拟声源点；
[0010]对超声神经调控器件选择预定超声波频率；
[0011]以刺激靶点的位置作为虚拟声源反向计算声波穿过颅骨模型之后在超声神经调控器件位置的相位信息；
[0012]结合声全息透镜材料对声波相位的调控特性设计声全息透镜表面；根据获得的声全息透镜表面制备出穿颅多点超声聚焦声全息透镜。
[0013]在一些实施例中，所述相位信息是利用时间反演计算方法获得。
[0014]在一些实施例中，所述相位信息是利用时间反演计算方法获得具体为：将颅骨后刺激靶点的位置作为虚拟声源进行反向计算，计算发射源超声神经调控器件到目标面颅骨模型的表面的声场分布p(r,ω)，表达式如下所示：
[0015][0016]其中：
[0017]k＝2π/λ为波矢，
[0018]λ＝c0/f为声波波长，
[0019]ω＝2πf为角频率，
[0020]f为激发声场的频率，
[0021]c0和ρ0分别为水的声速和密度；
[0022]v0(r0)为坐标在r0(x0,y0,z0)的声源表面振动速度；
[0023]根据上述公式获得目标面颅骨模型的表面的相位分布。
[0024]在一些实施例中，所述声全息透镜材料对声波相位的调控特性具体为：所述声全息透镜材料厚度对声波相位调控满足下列公式：
[0025][0026]其中，λ＝c0/f为声波波长，c0为水的声速；
[0027]c1是全息透镜所用材料的纵波波速，t为材料厚度。
[0028]在一些实施例中，所述根据获得的声全息透镜表面制备出穿颅多点超声聚焦声全息透镜是利用3D打印制备而成。
[0029]在一些实施例中，所述声全息透镜的材料为PLA材料。
[0030]在一些实施例中，所述声全息透镜的材料为光敏树脂。
[0031]在一些实施例中，所述声全息透镜的材料为医用硅橡胶材料。
[0032]在一些实施例中，所述预定超声波频在0.5MHz到5MHz之间。
[0033]本专利技术的技术效果：本专利技术公开的穿颅多点超声聚焦声全息透镜，
[0034]通过选择位于颅骨中的刺激靶点的位置做为虚拟声源点，以刺激靶点的位置作为虚拟声源反向计算声波穿过颅骨模型之后在超声神经调控器件位置的相位信息，结合声全
息透镜材料对声波相位的调控特性设计声全息透镜表面，然后根据获得的声全息透镜表面制备出穿颅多点超声聚焦声全息透镜。本专利技术通过反向计算方法制备调制声波相位的声人工结构，其可实现声场穿颅后精确多点聚焦，结合单阵元超声换能器制备可调制穿颅声场的精确多点聚焦，从而实现超声波多点精确神经调控。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1为根据本专利技术一个实施例的穿颅多点超声聚焦声全息透镜时间反演计算系统示意图；
[0037]图2为根据图1的时间反演计算系统后得到的相位信息图示例；
[0038]图3为根据本专利技术一个实施例的穿颅多点超声聚焦声全息透镜；
[0039]图4为根据本专利技术一个实施例的穿颅多点超声聚焦声全息透镜的制备流程示意图。
具体实施方式
[0040]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不构成对本专利技术的限制。
[0041]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种穿颅多点超声聚焦声全息透镜，其特征在于，其通过以下方法形成：提供颅骨模型；选择位于颅骨中的刺激靶点的位置做为虚拟声源点；对超声神经调控器件选择预定超声波频率；以刺激靶点的位置作为虚拟声源反向计算声波穿过颅骨模型之后在超声神经调控器件位置的相位信息；结合声全息透镜材料对声波相位的调控特性设计声全息透镜表面；根据获得的声全息透镜表面制备出穿颅多点超声聚焦声全息透镜。2.根据权利要求1所述的穿颅多点超声聚焦声全息透镜，其特征在于，所述相位信息是利用时间反演计算方法获得。3.根据权利要求2所述的穿颅多点超声聚焦声全息透镜，其特征在于，所述相位信息是利用时间反演计算方法获得具体为：将颅骨后刺激靶点的位置作为虚拟声源进行反向计算，计算发射源超声神经调控器件到目标面颅骨模型的表面的声场分布p(r,ω)，表达式如下所示：其中：k＝2π/λ为波矢，λ＝c0/f为声波波长，ω＝2πf为角频率，f为激发声场的频率，c0和ρ0分别为水的声速和密度；v0(r0)为坐标在r0(x0,y0,z0)的声源表面振动速度；根据上述公式获得目标面颅骨模型的表面的相位分布。4.根据权利要求1所述的穿颅多点超声聚焦声全息透镜，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑海荣，周慧，牛丽丽，孟龙，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：