[發(fā)明專利]一種超聲換能器的實時導(dǎo)航方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910429435.0
• 申請日: 2019-05-22
• 公開（公告）號: CN110160517B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫俊峰;施政愷;劉凱;童善保
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;A61N7/00;G06T17/00;G16H30/20
• 代理公司: 上海一平知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31266
• 代理人: 徐迅;成春榮

本申請公開了一種超聲換能器的實時導(dǎo)航方法和系統(tǒng)，該導(dǎo)航方法包括：建立超聲穿過顱骨的聲場計算模型，基于超聲時間反演對稱性計算超聲換能器的擺放位置及角度；實時獲取所述超聲換能器的在空間定位設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為被試頭部的三維模型坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；對所述超聲換能器的位置及角度進行實時矯正。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及經(jīng)顱超聲刺激神經(jīng)調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種超聲換能器的實時導(dǎo)航方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

過去幾十年的時間里，已經(jīng)出現(xiàn)了多種神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，例如經(jīng)顱磁刺激(TMS)、經(jīng)顱超聲刺激(TUS)、深部腦刺激(DBS)和經(jīng)顱直流電刺激(TDCS)等方法。這些神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通過對腦內(nèi)特定部位施加特定模式的物理刺激來實現(xiàn)對腦功能的探測或?qū)δX疾病的治療。其中，經(jīng)顱超聲刺激(TUS)采用低頻低強度的脈沖聚焦超聲穿透皮膚、顱骨等頭部組織，聚焦于顱內(nèi)一個較小的區(qū)域，實現(xiàn)對該區(qū)域內(nèi)(以及與該區(qū)域相關(guān)聯(lián)的腦區(qū))的神經(jīng)活動的調(diào)控(增強或抑制)。聚焦超聲可以穿透頭皮和顱骨組織后依然保持較好的聚焦性，從而具有高的空間分辨率，且能夠?qū)ι畈康哪X區(qū)進行精準(zhǔn)刺激；另一方面，超聲波是一種機械性波，不會干擾電場和磁場，因此TUS與神經(jīng)電信號及磁共振影像兼容，使用者能夠在進行超聲刺激的同時記錄神經(jīng)電活動或磁共振影像數(shù)據(jù)。在安全性方面，TUS使用低強度的脈沖超聲進行功能性刺激。現(xiàn)有研究表明TUS不引發(fā)腦組織的功能性或器質(zhì)性損傷，是一種安全的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。

使用者無法直接觀察到低頻聚焦超聲經(jīng)過頭皮和顱骨后的聚焦位置以及預(yù)設(shè)的目標(biāo)靶點位置，需要一個合適的導(dǎo)航系統(tǒng)對超聲換能器的擺放進行引導(dǎo)以實現(xiàn)經(jīng)顱超聲的焦域和目標(biāo)靶點的對位。顱骨的形狀、厚度等在不同個體間有明顯的差異，顱骨會對穿過它的超聲波產(chǎn)生影響，引起超聲波的傳播方向發(fā)生一定量的偏折，從而導(dǎo)致經(jīng)顱超聲的焦域發(fā)生偏移。

現(xiàn)有的神經(jīng)調(diào)控的導(dǎo)航技術(shù)有多種，包括基于紅外光學(xué)的導(dǎo)航技術(shù)和基于功能磁共振的導(dǎo)航技術(shù)。基于功能磁共振的導(dǎo)航技術(shù)對設(shè)備要求高，技術(shù)復(fù)雜，環(huán)境適應(yīng)性差且成本高。基于紅外光學(xué)的導(dǎo)航技術(shù)和系統(tǒng)廣泛被用于經(jīng)顱磁刺激的導(dǎo)航。但用于經(jīng)顱磁刺激的這些紅外光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)沒有考慮到顱骨等腦組織對聲場的影響，也就難以避免顱骨所導(dǎo)致的經(jīng)顱聲場焦域的偏移(相較于沒有顱骨情況下)，難以對TUS實現(xiàn)高空間精度的導(dǎo)航。因此，為充分發(fā)揮TUS神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的高空間分辨率優(yōu)勢，專門針對TUS刺激的實時導(dǎo)航方法和系統(tǒng)有著重要價值和強烈的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種用于人體經(jīng)顱超聲刺激的實時導(dǎo)航方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于規(guī)劃經(jīng)顱超聲刺激路徑，并實時引導(dǎo)超聲換能器到預(yù)定的位置和角度，從而實現(xiàn)實時高空間精度的經(jīng)顱超聲刺激。

為了解決上述問題，本申請公開了一種超聲換能器的實時導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：

聲場計算模塊，被配置為建立超聲穿過顱骨的聲場計算模型，基于超聲時間反演對稱性計算出超聲換能器擺放的預(yù)定位置及角度；

圖像數(shù)據(jù)重建模塊，被配置為建立被試頭部的三維模型；

空間定位設(shè)備，被配置為獲取所述超聲換能器的位置和角度信息；

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，被配置為將所述產(chǎn)生換能器在所述空間定位設(shè)備中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為在所述圖像數(shù)據(jù)重建模塊中的坐標(biāo)；

導(dǎo)航模塊，被配置為將所述超聲換能器調(diào)整至預(yù)定位置及角度。

在一個優(yōu)選例中，所述聲場計算模塊建立融合被試頭部的CT影像數(shù)據(jù)或/和磁共振影像數(shù)據(jù)的超聲穿過顱骨的聲場計算模型，確定靶點及刺激域，基于超聲傳播的時間反演對稱性原理計算出可能的刺激路徑，計算出對應(yīng)于該可能的刺激路徑的所述超聲換能器所擺放的空間位置和角度參數(shù)。

在一個優(yōu)選例中，所述超聲換能器發(fā)出聲波的入射方向為所述靶點處的虛擬點聲源發(fā)出的聲波在所述刺激域處的出射方向的反方向。