本發(fā)明涉及超聲神經(jīng)調(diào)控，尤其涉及一種超聲引導(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。

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)用成本過高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種超聲引導(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)用成本過高的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明第一方面提供的一種超聲引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的頭盔式超聲換能器、多通道相控陣控制器和上位機(jī)；

3、所述頭盔式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)成像回波信號時(shí)，生成第二調(diào)控指令，并采用預(yù)置信號處理算法根據(jù)各所述成像回波信號，生成聲速成像圖和多個(gè)信號發(fā)送間隔步長，將各所述信號發(fā)送間隔步長發(fā)送至所述頭盔式超聲換能器；當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各所述調(diào)控回波信號和聲速成像圖，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)，生成低功率電信號并傳輸至所述頭盔式超聲換能器；當(dāng)接收到所述上位機(jī)發(fā)送的第二調(diào)控指令時(shí)，生成高功率電信號傳輸至所述頭盔式超聲換能器；

6、所述頭盔式超聲換能器，用于當(dāng)接收到所述低功率電信號時(shí)，將所述低功率電信號轉(zhuǎn)換為成像超聲信號并發(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產(chǎn)生的多個(gè)成像回波信號；當(dāng)接收到所述高功率電信號時(shí)，將所述高功率電信號轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號，按照各所述信號發(fā)送間隔步長向所述患者頭部發(fā)射所述調(diào)控超聲信號，以接收所述患者頭部基于所述調(diào)控超聲信號產(chǎn)生的多個(gè)調(diào)控回波信號。

7、進(jìn)一步地，所述頭盔式超聲換能器包括半球殼體、多個(gè)圓圈陣列和電性接口；

8、多個(gè)所述圓圈陣列包括多個(gè)圓圈調(diào)控陣列、多個(gè)圓圈成像陣列；

9、各所述圓圈調(diào)控陣列和各所述圓圈成像陣列交替分布于所述半球殼體的內(nèi)球面；

10、各所述圓圈調(diào)控陣列由不同數(shù)量的調(diào)控陣元構(gòu)成，各所述圓圈成像陣列由不同數(shù)量的成像陣元構(gòu)成；

11、所述半球殼體的內(nèi)球面的頂點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)所述調(diào)控陣元或一個(gè)所述成像陣元；

12、所述電性接口設(shè)置于所述半球殼體的外球面；

13、各所述調(diào)控陣元和各所述成像陣元均通過所述電性接口與所述多通道相控陣控制器連接；

14、各所述調(diào)控陣元和各所述成像陣元與所述上位機(jī)通信連接；

15、所述成像陣元，用于將接收的所述低功率電信號轉(zhuǎn)換為成像超聲信號并發(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產(chǎn)生的成像回波信號和所述患者頭部基于所述調(diào)控超聲信號產(chǎn)生的調(diào)控回波信號；

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

17、進(jìn)一步地，所述頭盔式超聲換能器，具體用于：

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

19、通過各所述成像陣元、各所述調(diào)控陣元分別接收所述患者頭部基于所述成像超聲信號產(chǎn)生的成像回波信號并發(fā)送至所述上位機(jī)；

20、將相鄰的所述成像陣元作為新的目標(biāo)成像陣元，通過所述新的目標(biāo)成像陣元將接收的所述低功率電信號轉(zhuǎn)換為所述成像超聲信號并發(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轉(zhuǎn)換為所述成像超聲信號并發(fā)射至所述患者頭部；

21、當(dāng)接收到所述高功率電信號時(shí)，通過目標(biāo)調(diào)控陣元將接收的所述高功率電信號轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號，并按照所述信號發(fā)送間隔步長將所述調(diào)控超聲信號發(fā)射至所述患者頭部；

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

23、將相鄰的所述調(diào)控陣元作為新的目標(biāo)調(diào)控陣元，通過所述新的目標(biāo)調(diào)控陣元將接收的所述高功率電信號轉(zhuǎn)換為所述調(diào)控超聲信號，并按照所述信號發(fā)送間隔步長將所述調(diào)控超聲信號發(fā)射至所述患者頭部，直至多個(gè)所述調(diào)控陣元均將所述高功率電信號轉(zhuǎn)換為所述調(diào)控超聲信號并發(fā)射至所述患者頭部。

24、進(jìn)一步地，所述多通道相控陣控制器包括低功率模塊和高功率模塊；

25、所述低功率模塊通過所述電性接口與各所述成像陣元連接；

26、所述高功率模塊通過所述電性接口與各所述調(diào)控陣元連接。

27、進(jìn)一步地，所述預(yù)置信號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：

28、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；

29、當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號時(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；

30、對各所述成像回波信號進(jìn)行信號分割，確定各所述成像回波信號對應(yīng)的第一子信號和第二子信號；

31、根據(jù)各所述成像回波信號對應(yīng)的第一子信號和第二子信號，計(jì)算各所述成像回波信號對應(yīng)的方差值；

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

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

34、基于貝塞爾曲線理論，根據(jù)各所述成像回波信號對應(yīng)的調(diào)控陣元的位置坐標(biāo)和成像陣元的位置坐標(biāo)，確定各所述成像回波信號對應(yīng)的目標(biāo)傳播路徑；

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

36、基于射線追蹤迭代算法，采用各所述成像回波信號對應(yīng)的飛行時(shí)間、各所述目標(biāo)傳播路徑對應(yīng)的多個(gè)像素內(nèi)的子傳播路徑對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；

37、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)調(diào)控陣元之間的信號發(fā)送間隔步長并發(fā)送至所述頭盔式超聲換能器；

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

39、對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；

40、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；

41、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。

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

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

44、當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各所述調(diào)控回波信號和聲速成像圖，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。

45、進(jìn)一步地，所述預(yù)置信號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)置信號處理算法根據(jù)各所述成像回波信號，生成聲速成像圖的步驟，包括：

46、對各所述成像回波信號進(jìn)行信號分割，確定各所述成像回波信號對應(yīng)的第一子信號和第二子信號；

47、根據(jù)各所述成像回波信號對應(yīng)的第一子信號和第二子信號，計(jì)算各所述成像回波信號對應(yīng)的方差值；

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

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

50、基于貝塞爾曲線理論，根據(jù)各所述成像回波信號對應(yīng)的調(diào)控陣元的位置坐標(biāo)和成像陣元的位置坐標(biāo)，確定各所述成像回波信號對應(yīng)的目標(biāo)傳播路徑；

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

52、基于射線追蹤迭代算法，采用各所述成像回波信號對應(yīng)的飛行時(shí)間、各所述目標(biāo)傳播路徑對應(yīng)的多個(gè)像素內(nèi)的子傳播路徑對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。

53、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)所述的超聲引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法的步驟。

54、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)所述的超聲引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法的步驟。

55、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)所述的超聲引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法的步驟。

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

57、本發(fā)明的上述技術(shù)方案第一方面提供了一種超聲引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的頭盔式超聲換能器、多通道相控陣控制器和上位機(jī)；其中，頭盔式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)成像回波信號時(shí)，生成第二調(diào)控指令，并采用預(yù)置信號處理算法根據(jù)各成像回波信號，生成聲速成像圖和多個(gè)信號發(fā)送間隔步長，將各信號發(fā)送間隔步長發(fā)送至頭盔式超聲換能器；當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各調(diào)控回波信號和聲速成像圖，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)，生成低功率電信號并傳輸至頭盔式超聲換能器；當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的第二調(diào)控指令時(shí)，生成高功率電信號傳輸至頭盔式超聲換能器；頭盔式超聲換能器，用于當(dāng)接收到低功率電信號時(shí)，將低功率電信號轉(zhuǎn)換為成像超聲信號并發(fā)射至患者頭部，以接收患者頭部基于成像超聲信號產(chǎn)生的多個(gè)成像回波信號；當(dāng)接收到高功率電信號時(shí)，將高功率電信號轉(zhuǎn)換為調(diào)控超聲信號，按照各信號發(fā)送間隔步長向患者頭部發(fā)射調(diào)控超聲信號，以接收患者頭部基于調(diào)控超聲信號產(chǎn)生的多個(gè)調(diào)控回波信號；基于上述方案，通過頭盔式超聲換能器佩戴于患者頭部即可獲取相應(yīng)的回波信號，不需要對多臺器材進(jìn)行拼接，能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，通過上位機(jī)基于預(yù)置信號處理算法和波束成形算法，對接收到的成像回波信號和調(diào)控回波信號進(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。

58、本發(fā)明的上述技術(shù)方案第二方面提供了一種超聲引導(dǎo)經(jīng)顱神經(jīng)調(diào)控方法，當(dāng)接收到多個(gè)成像回波信號時(shí)，采用預(yù)置信號處理算法根據(jù)各成像回波信號，生成聲速成像圖；當(dāng)接收到多個(gè)調(diào)控回波信號時(shí)，采用波束成形算法根據(jù)各調(diào)控回波信號和聲速成像圖，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)置信號處理算法和波束成形算法，對接收到的成像回波信號和調(diào)控回波信號進(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。