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。的焦点精确地落在颅内预定刺激靶点上。的焦点精确地落在颅内预定刺激靶点上。
【技术实现步骤摘要】
用于经颅超声刺激的超声换能器的实时导航方法及系统
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
技术实现思路
[0009]本申请的目的在于提供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，能够有效降低颅骨带来的超声焦点位置偏移误差，引导超声换能器放置，从而让经颅超声的焦点精确地落在颅内预定靶点上。
[0010]本申请提供了一种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：
[0011](a)建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于颅骨形态和刺激需求预先标注颅内预定刺激靶点，并预先确定超声换能器的初始位置和角度；
[0012](b)基于超声换能器的初始位置和角度放置代表聚焦型的超声换能器的凹面声源，进行正向经颅超声声场仿真计算，进而得到所述超声换能器产生的经颅超声声场的仿真声学焦点(超声换能器仿真声学焦点)的位置；
[0013](c)计算此时所述超声换能器与所述颅内预定刺激靶点的距离、以及所述超声换能器与经颅超声声场的仿真声学焦点的位置之间的距离，然后利用梯度下降法，计算得到中间轮次的超声换能器的位置和角度；
[0014](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放置代表聚焦型的超声换能器的凹面声源，进行正向经颅超声声场仿真计算，从而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；
[0015](e)重复迭代步骤(c)和(d)，当达到迭代停止条件时，停止迭代，进而得到用于导航的最佳超声换能器的位置和角度；其中，每一轮迭代计算使用的超声换能器的位置和角度是基于梯度下降法由上一轮迭代计算的结果得到的。
[0016]在另一优选例中，在获得一中间轮次的超声换能器的位置和角度后进行一次正向经颅超声声场仿真计算，从而得到在中间轮次的超声换能器的位置和角度下的此时的超声换能器产生的经颅超声声场的仿真声学实际焦点。
[0017]在另一优选例中，在使用梯度下降法进行下一中间轮次的超声换能器的位置和角度计算时，需要确定在上一中间轮次的超声换能器的位置和角度下进行正向超声声场仿真计算得到的声压声场在预定刺激靶点P0处的梯度。
[0018]在另一优选例中，考虑到经颅超声的仿真声场可能存在多个局部极小值点或多个局部极大值点，故先使用高斯平滑滤波器算法对仿真计算得到经颅超声声场进行平滑，以使得平滑后的经颅超声声场的半峰全宽区域内不存在局部极小值点，在最大声压值点外也不存在局部极大值点，然后使用梯度下降法进行下一中间轮次的超声换能器的位置和角度计算时，需要确定平滑后的超声仿真声场在预定刺激靶点P0处的梯度。
[0019]在另一优选例中，在步骤(c)中还包括：在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之前，包括对超声声场仿真计算得到的此时的经颅超声声场进行平滑的步骤，从而使得平滑后的经颅超声声场的半峰全宽区域内不存在局部极小值点，在最大声压值点外也不存在局部极大值点。
[0020]在另一优选例中，所述对超声声场仿真计算得到的经颅超声声场进行平滑的步骤发生在步骤(c)中的计算此时所述超声换能器与所述颅内预定刺激靶点的距离以及所述超声换能器与经颅超声声场的仿真声学焦点的位置之间的距离之后。
[0021]在另一优选例中，通过使用高斯平滑滤波器算法对仿真计算得到经颅超声声场进行平滑，从而在使用梯度下降法进行下一中间轮次的超声换能器的位置和角度计算时，需要确定平滑后的经颅超声声场在预定刺激靶点P0处的梯度
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于经颅超声刺激的超声换能器的实时导航方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)建立超声穿过颅骨的声场计算模型，基于颅骨形态和刺激需求预先标注颅内预定刺激靶点，并预先确定超声换能器的初始位置和角度；(b)基于超声换能器的初始位置和角度放置代表聚焦型的超声换能器的凹面声源，进行正向经颅超声声场仿真计算，进而得到所述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)计算此时所述超声换能器与所述颅内预定刺激靶点的距离以及所述超声换能器与经颅超声声场的仿真声学焦点的位置之间的距离，然后利用梯度下降法，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放置代表聚焦型的超声换能器的凹面声源，进行正向经颅超声声场仿真计算，从而得到此轮次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)，当达到迭代停止条件时，停止迭代，进而得到用于导航的最佳超声换能器的位置和角度；其中，每一轮迭代计算使用的超声换能器的位置和角度是基于梯度下降法由上一轮迭代计算的结果得到的。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中还包括：在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之前，包括对超声声场仿真计算得到的此时的经颅超声声场进行平滑的步骤，从而使得平滑后的经颅超声声场的半峰全宽区域内不存在局部极小值点，在最大声压值点外也不存在局部极大值点。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过使用平滑滤波器算法对仿真计算得到经颅超声声场进行平滑，从而在使用梯度下降法进行下一中间轮次的超声换能器的位置和角度计算时，需要确定平滑后的经颅超声声场在预定刺激靶点P0处的梯度4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，在凹面声源各位置设置大量的点声源，通过进行经颅声场仿真计算可以得到经颅超声声场的半峰全宽区域，并将该区域的几何中心点或峰值点作为所述超声换能器产生的经颅超声声场的仿真声学焦点。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，在第一轮迭代计算中，通过以下公式计算所述超声换能器与所述颅内预定刺激靶点的距离d
1,0
，以及所述超声换能器与超声换能器仿真声学焦点的位置之间的距离d
1,b
：d
1,0
＝|P0‑
P<...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷思明，孙俊峰，童善保，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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