本發(fā)明涉及超聲神經(jīng)調(diào)控，尤其涉及一種超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)研究和神經(jīng)工程與臨床應(yīng)用的重要工具，現(xiàn)階段常見(jiàn)的神經(jīng)調(diào)控手段有深部腦刺激(dbs，deep?brain?stimulation)、經(jīng)顱直流電刺激(tdcs，transcranial?direct?current?stimulation)、經(jīng)顱磁刺激(tms，transcranialmagneticstimulation)和光基因(optogenetics)以及經(jīng)顱超聲刺激技術(shù)(transcranialultrasound?stimulation，tus)。

2、經(jīng)顱聚焦超聲(tfus)是一種十分具有前景的新型非侵入性神經(jīng)調(diào)控方法，其通過(guò)超聲波在腦內(nèi)某區(qū)域聚焦形成能量匯聚，并刺激大腦的神經(jīng)或功能區(qū)域，以達(dá)到調(diào)制腦功能，從而改善一些疾病癥狀，具有高空間分辨率，同時(shí)，針對(duì)腦深部結(jié)構(gòu)的有效性，較低的成本和良好的安全性等優(yōu)勢(shì)。

3、現(xiàn)有的超聲調(diào)控系統(tǒng)大多需要人為手動(dòng)搭建，由多臺(tái)器材拼接而成，再結(jié)合ct（computed?tomography）、mri（magnetic?resonance?imaging）等技術(shù)獲得患者頭部圖像進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控，但這些成像方法步驟十分繁瑣，操作難度大，且系統(tǒng)體積笨重，導(dǎo)致應(yīng)用成本過(guò)高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)及方法，用于解決現(xiàn)有的超聲調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用成本過(guò)高的技術(shù)問(wèn)題。

2、本發(fā)明第一方面提供的一種超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器、多通道相控陣控制器和上位機(jī)；

3、所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器與所述上位機(jī)通信連接；

4、所述上位機(jī)，用于獲取第一調(diào)控指令；當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號(hào)時(shí)，生成第二調(diào)控指令，并采用預(yù)置信號(hào)處理算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)，生成聲速成像圖和多個(gè)信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)，將各所述信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)發(fā)送至所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各所述調(diào)控回波信號(hào)和聲速成像圖，確定目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域，所述目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域用于神經(jīng)調(diào)控；

5、所述多通道相控陣控制器，用于當(dāng)接收到所述上位機(jī)發(fā)送的第一調(diào)控指令時(shí)，生成低功率電信號(hào)并傳輸至所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；當(dāng)接收到所述上位機(jī)發(fā)送的第二調(diào)控指令時(shí)，生成高功率電信號(hào)傳輸至所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；

6、所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器，用于當(dāng)接收到所述低功率電信號(hào)時(shí)，將所述低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為成像超聲信號(hào)并發(fā)射至患者頭部，以接收所述患者頭部基于所述成像超聲信號(hào)產(chǎn)生的多個(gè)成像回波信號(hào)；當(dāng)接收到所述高功率電信號(hào)時(shí)，將所述高功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號(hào)，按照各所述信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)向所述患者頭部發(fā)射所述調(diào)控超聲信號(hào)，以接收所述患者頭部基于所述調(diào)控超聲信號(hào)產(chǎn)生的多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)。

7、可選地，所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器包括兩個(gè)頭戴結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)和電性接口；

8、兩個(gè)所述頭戴結(jié)構(gòu)交叉設(shè)置于所述圓形結(jié)構(gòu)的上表面，所述頭戴結(jié)構(gòu)呈弧形；

9、所述圓形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置有成像陣元組和功率陣元組，所述電性接口設(shè)置于所述圓形結(jié)構(gòu)的外側(cè)；

10、所述成像陣元組包括多個(gè)成像陣元，所述功率陣元組包括多個(gè)功率陣元；

11、所述成像陣元和所述功率陣元一一對(duì)稱(chēng)設(shè)置；

12、各所述功率陣元和各所述成像陣元均通過(guò)所述電性接口與所述多通道相控陣控制器連接；

13、各所述功率陣元和各所述成像陣元與所述上位機(jī)通信連接；

14、所述成像陣元，用于將接收的所述低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為成像超聲信號(hào)并發(fā)射至所述患者頭部，以接收所述患者頭部基于所述成像超聲信號(hào)產(chǎn)生的成像回波信號(hào)和所述患者頭部基于所述調(diào)控超聲信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)控回波信號(hào)；

15、所述功率陣元，用于接收所述患者頭部基于所述成像超聲信號(hào)產(chǎn)生的成像回波信號(hào)，并將接收的所述高功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號(hào)，按照所述信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)向所述患者頭部發(fā)射所述調(diào)控超聲信號(hào)。

16、可選地，所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器，具體用于：

17、當(dāng)接收到所述低功率電信號(hào)時(shí)，通過(guò)目標(biāo)成像陣元將接收的所述低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為成像超聲信號(hào)并發(fā)射至所述患者頭部；

18、通過(guò)各所述成像陣元、各所述功率陣元分別接收所述患者頭部基于所述成像超聲信號(hào)產(chǎn)生的成像回波信號(hào)并發(fā)送至所述上位機(jī)；

19、將相鄰的所述成像陣元作為新的目標(biāo)成像陣元，通過(guò)所述新的目標(biāo)成像陣元將接收的所述低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述成像超聲信號(hào)并發(fā)射至所述患者頭部，直至多個(gè)所述成像陣元均將所述低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述成像超聲信號(hào)并發(fā)射至所述患者頭部；

20、當(dāng)接收到所述高功率電信號(hào)時(shí)，通過(guò)目標(biāo)功率陣元將接收的所述高功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號(hào)，并按照所述信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)將所述調(diào)控超聲信號(hào)發(fā)射至所述患者頭部；

21、通過(guò)各所述成像陣元分別接收所述患者頭部基于所述調(diào)控超聲信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)控回波信號(hào)并發(fā)送至所述上位機(jī)；

22、將相鄰的所述功率陣元作為新的目標(biāo)功率陣元，通過(guò)所述新的目標(biāo)功率陣元將接收的所述高功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述調(diào)控超聲信號(hào)，并按照所述信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)將所述調(diào)控超聲信號(hào)發(fā)射至所述患者頭部，直至多個(gè)所述功率陣元均將所述高功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述調(diào)控超聲信號(hào)并發(fā)射至所述患者頭部。

23、可選地，所述多通道相控陣控制器包括低功率模塊和高功率模塊；

24、所述低功率模塊通過(guò)所述電性接口與各所述成像陣元連接；

25、所述高功率模塊通過(guò)所述電性接口與各所述功率陣元連接。

26、可選地，所述預(yù)置信號(hào)處理算法包括濾波反投影算法、赤池信息量準(zhǔn)則算法、貝塞爾曲線理論、射線追蹤迭代算法、數(shù)值仿真計(jì)算算法；所述上位機(jī)，具體用于：

27、獲取第一調(diào)控指令并發(fā)送至所述多通道相控陣控制器；

28、當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號(hào)時(shí)，生成第二調(diào)控指令并發(fā)送至所述多通道相控陣控制器；

29、對(duì)各所述成像回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分割，確定各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的第一子信號(hào)和第二子信號(hào)；

30、根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的第一子信號(hào)和第二子信號(hào)，計(jì)算各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的方差值；

31、采用赤池信息量準(zhǔn)則算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的方差值，計(jì)算各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間；

32、采用濾波反投影算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間，確定初始慢度分布；

33、基于貝塞爾曲線理論，根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的功率陣元的位置坐標(biāo)和成像陣元的位置坐標(biāo)，確定各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)傳播路徑；

34、對(duì)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)傳播路徑進(jìn)行路徑分割，確定各所述目標(biāo)傳播路徑對(duì)應(yīng)的多個(gè)像素內(nèi)的子傳播路徑；

35、基于射線追蹤迭代算法，采用各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間、各所述目標(biāo)傳播路徑對(duì)應(yīng)的多個(gè)像素內(nèi)的子傳播路徑對(duì)所述初始慢度分布進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，確定目標(biāo)慢度分布，并根據(jù)所述目標(biāo)慢度分布，生成聲速成像圖；

36、采用數(shù)值仿真計(jì)算算法根據(jù)所述聲速成像圖，確定各個(gè)功率陣元之間的信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)并發(fā)送至所述頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；

37、當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)時(shí)，采用波束成形算法對(duì)各所述調(diào)控回波信號(hào)進(jìn)行重建，確定聲束路徑；

38、對(duì)所述聲束路徑和所述聲速成像圖進(jìn)行疊加，確定初始可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域；

39、判斷所述初始可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域和預(yù)置可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域是否相同；

40、若相同，則將所述初始可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域作為目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域；所述目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域用于神經(jīng)調(diào)控。

41、本發(fā)明第二方面提供的一種超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法，包括：

42、當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號(hào)時(shí)，采用預(yù)置信號(hào)處理算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)，生成聲速成像圖；

43、當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各所述調(diào)控回波信號(hào)和聲速成像圖，確定目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域，所述目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域用于神經(jīng)調(diào)控。

44、可選地，所述預(yù)置信號(hào)處理算法包括濾波反投影算法、赤池信息量準(zhǔn)則算法、貝塞爾曲線理論、射線追蹤迭代算法；所述采用預(yù)置信號(hào)處理算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)，生成聲速成像圖的步驟，包括：

45、對(duì)各所述成像回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分割，確定各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的第一子信號(hào)和第二子信號(hào)；

46、根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的第一子信號(hào)和第二子信號(hào)，計(jì)算各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的方差值；

47、采用赤池信息量準(zhǔn)則算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的方差值，計(jì)算各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間；

48、采用濾波反投影算法根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間，確定初始慢度分布；

49、基于貝塞爾曲線理論，根據(jù)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的功率陣元的位置坐標(biāo)和成像陣元的位置坐標(biāo)，確定各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)傳播路徑；

50、對(duì)各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)傳播路徑進(jìn)行路徑分割，確定各所述目標(biāo)傳播路徑對(duì)應(yīng)的多個(gè)像素內(nèi)的子傳播路徑；

51、基于射線追蹤迭代算法，采用各所述成像回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間、各所述目標(biāo)傳播路徑對(duì)應(yīng)的多個(gè)像素內(nèi)的子傳播路徑對(duì)所述初始慢度分布進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，確定目標(biāo)慢度分布，并根據(jù)所述目標(biāo)慢度分布，生成聲速成像圖。

52、本發(fā)明第三方面提供的一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行如上述任一項(xiàng)所述的超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法的步驟。

53、本發(fā)明第四方面提供的一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一項(xiàng)所述的超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法的步驟。

54、本發(fā)明第五方面提供的一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括存儲(chǔ)在非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括程序指令，其中，當(dāng)所述程序指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如上述任一項(xiàng)所述的超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法的步驟。

55、從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

56、本發(fā)明的上述技術(shù)方案第一方面提供了一種超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器、多通道相控陣控制器和上位機(jī)；其中，頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器與上位機(jī)通信連接；上位機(jī)，用于獲取第一調(diào)控指令；當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號(hào)時(shí)，生成第二調(diào)控指令，并采用預(yù)置信號(hào)處理算法根據(jù)各成像回波信號(hào)，生成聲速成像圖和多個(gè)信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)，將各信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)發(fā)送至頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各調(diào)控回波信號(hào)和聲速成像圖，確定目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域，目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域用于神經(jīng)調(diào)控；多通道相控陣控制器，用于當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的第一調(diào)控指令時(shí)，生成低功率電信號(hào)并傳輸至頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的第二調(diào)控指令時(shí)，生成高功率電信號(hào)傳輸至頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器；頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器，用于當(dāng)接收到低功率電信號(hào)時(shí)，將低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為成像超聲信號(hào)并發(fā)射至患者頭部，以接收患者頭部基于成像超聲信號(hào)產(chǎn)生的多個(gè)成像回波信號(hào)；當(dāng)接收到高功率電信號(hào)時(shí)，將高功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號(hào)，按照各信號(hào)發(fā)送間隔步長(zhǎng)向患者頭部發(fā)射調(diào)控超聲信號(hào)，以接收患者頭部基于調(diào)控超聲信號(hào)產(chǎn)生的多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)；基于上述方案，通過(guò)頭戴式環(huán)形陣列超聲換能器佩戴于患者頭部即可獲取相應(yīng)的回波信號(hào)，不需要對(duì)多臺(tái)器材進(jìn)行拼接，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)基于預(yù)置信號(hào)處理算法和波束成形算法，對(duì)接收到的成像回波信號(hào)和調(diào)控回波信號(hào)進(jìn)行處理，得到的目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域，并通過(guò)目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控的過(guò)程，本發(fā)明不需要結(jié)合ct、mri等復(fù)雜的成像技術(shù)，能夠降低操作難度，從而降低應(yīng)用成本。

57、本發(fā)明的上述技術(shù)方案第二方面提供了一種超聲成像引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法，當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號(hào)時(shí)，采用預(yù)置信號(hào)處理算法根據(jù)各成像回波信號(hào)，生成聲速成像圖；當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號(hào)時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各調(diào)控回波信號(hào)和聲速成像圖，確定目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域，目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域用于神經(jīng)調(diào)控；基于上述方案，基于預(yù)置信號(hào)處理算法和波束成形算法，對(duì)接收到的成像回波信號(hào)和調(diào)控回波信號(hào)進(jìn)行處理，得到的目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域，并通過(guò)目標(biāo)可視化靶點(diǎn)聚焦區(qū)域進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控的過(guò)程，本發(fā)明不需要結(jié)合ct、mri等復(fù)雜的成像技術(shù)，能夠降低操作難度，從而降低應(yīng)用成本。