无创声波经颅刺激装置及其生成方法

本发明涉及声波诊断和治疗的，具体地，涉及一种无创声波经颅刺激装置及其生成方法，优选的，涉及一种可以穿透颅骨的无创声波经颅刺激装置。

背景技术：

1、经颅刺激是一种对于神经和精神疾病有效的治疗方式，对大脑深部功能的调节刺激可用于治疗原发性震颤、帕金森综合征、原发性肌张力障碍和强迫症、成瘾、抑郁症等疾病，还可用于提升注意力、记忆力等学习认知能力以及情绪调控。

2、传统的经颅刺激技术通过手术或探针深入大脑等侵入式方式刺激，不仅会造成患者的痛苦，还容易带来手术并发症和感染的风险；同时侵入式探针一旦植入，改变刺激区域就会受到限制；手术侵入式治疗也不容易改变刺激区域。

3、公开号cn114904143a的中国发明专利文献公开了一种头戴式经颅磁刺激线圈装置，包括：头套，头套用于将整个装置固定在患者头部，头套上设有至少一个安装位，安装位与患者待治疗位置相对应；以及刺激线圈，刺激线圈与安装位可拆卸连接，用于在不同安装位对患者进行治疗。

4、目前市面上已有的非侵入式经颅刺激方式，比如非侵入式经颅磁刺激、非侵入式经颅电刺激、非侵入式经颅声波刺激等技术虽然是无创治疗方式，避免了侵入式的缺点，但均存在穿透头骨时能量损失较大、相控电路昂贵复杂且难控制、和聚焦点精度低等关键性问题。因此，非侵入径颅声波刺激技术在临床实用领域尚未广泛应用。以无创经颅超声为例，上述困难归因于不同物质界面阻抗失配的物理问题，传统解决办法是用多阵元换能器取代单探头，但这无疑提高了治疗成本；通过复杂相控电路设计弥补阻抗失配带来的能量损失，却使得每次刺激都需要重新设置复杂的电路，增加了准备时间；同时对于阻抗失配特别大的地方,比如头骨和骨骼内，传统技术透声损失严重,需要增加手术时长或者刺激能量，增加了头皮及颅内组织的损伤风险。

5、针对上述中的相关技术，发明人认为传统相控方式采用多阵元换能器聚焦增加聚焦能量，与此同时带来较高的成本；颅骨等高阻抗畸变层与治疗背景介质声阻抗失配较大，聚焦效果差；和真实颅骨特性复杂，引起声波衰减较大。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无创声波经颅刺激装置及其使用方法。

2、根据本发明提供的一种无创声波经颅刺激装置，包括相控互补声学人工结构和单换能器；

3、所述单换能器产生的声波经过相控互补声学人工结构和颅骨对待刺激靶区目标进行聚焦刺激。

4、优选的，所述相控互补声学人工结构包括组合设置的顶部部分、中间部分以及底部部分；

5、所述顶部部分与颅骨外轮廓贴合设置；

6、所述中间部分为等效材料参数为负数的互补结构；

7、所述底部部分为能够改变厚度的相控结构。

8、优选的，所述底部部分用于相控表面的空间卷曲结构，改变等效长度进行相位累计，进行和相控阵前后界面的声阻抗匹配；

9、通过等效多层界面，利用空间卷曲结构进行透射控制声场聚焦；

10、利用超声领域波长拨片原理，设置卷曲结构卷曲次数和每层的通道长度，使结构和上下界面进行阻抗匹配；

11、空间卷曲共振腔单元结合透射空间卷曲结构分层匹配，进行相位控制单元全透射。

12、优选的，所述中间部分根据互补声学匹配层阻抗特性要求，为消除密度为ρ0和声速为c0的畸变层，在畸变层前置相同厚度、等效密度为ρ0和等效声速为c0的匹配层结构；

13、匹配层结构由共振腔结构通过狭缝连接到中间的矩形空腔；

14、将匹配层结构的透射系数和反射系数通过等效参数提取法计算得到等效声学特性，进而得到满足抵消畸变层声学特性要求的匹配层结构。

15、优选的，所述顶部部分通过坐标变换得到平直坐标系空间下颅骨的声学特性，由颅骨模型的几何参数提取外部轮廓坐标，获得拟合后的颅骨内外轮廓曲面。

16、根据本发明提供的一种无创声波经颅刺激装置的生成方法，应用无创声波经颅刺激装置，包括如下步骤：

17、数据获取步骤：从预设图像中提取颅骨和待刺激靶区目标的三维数据；

18、部分获取步骤：对三维数据进行处理，分别获取顶部部分、中间部分以及底部部分；

19、组合步骤：将顶部部分、底部部分和中间部分进行组合，得到相控互补声学人工结构。

20、优选的，所述部分获取步骤包括中间部分获取步骤：从三维数据中提取颅骨的声学特性，通过利用变换声学和坐标变化法对颅骨的声学特性进行处理获取中间部分声学特性，进而利用等效材料参数提取阀对中间部分声学特性进行处理得到的阻抗匹配部分，为中间部分。

21、优选的，所述部分获取步骤包括顶部部分获取步骤：从三维数据中获取颅骨坐标数据，根据颅骨坐标数据获取与颅骨外轮廓贴合的顶部部分。

22、优选的，所述部分获取步骤包括底部部分获取步骤：利用自弯曲声束法从三维数据中获得聚焦靶点的相位和频率，通过传递矩阵法对获得无源相控阵，通过无源相控阵对聚焦靶点相位和频率进行处理，生成的相位调制相控声人工结构为底部部分。

23、优选的，该方法还包括经颅刺激步骤：利用单换能器产生声波，声波经过相控互补声学人工结构和颅骨对待刺激靶区目标进行聚焦刺激。

24、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

25、1、本发明提供一种可穿透颅骨的无创声波经颅刺激装置，相比较现有技术，不限于超声频段，透声损失小，聚焦精度高，制作简便，且满足个性化治疗需求，是一种安全有效的非侵入相控聚焦增强透声系统；

26、2、本发明所设计的厚度可变的无源相控声人工结构阵列，实现了单一换能器利用该阵列在可变厚度阻抗匹配条件下对透射声场的精确控制。解决了传统聚焦声波相控阵列成本高、相控电路复杂治疗准备时间长、无法个性化治疗的问题，所设计的无源相控阵列具有低成本、精细声场调控的功能，满足了适应于不同个体颅骨特性的个性化治疗要求，为无创经颅声波刺激在临床治疗及日常的应用提供新的聚焦声场控制方案；

27、3、本发明所提出的互补声学超材料匹配层设计方法，设计了声学人工匹配层结构，实现了增强声波透过平直、单一厚度的高阻抗畸变层，拓展了传统声阻抗匹配层材料特性只限于自然界存在的材料特性。解决了颅骨等高阻抗畸变层引起声波透声衰减和畸变的问题，实现了平面波穿透匹配层和颅骨畸变层而不引起反射的透声增强，增强了经颅声波穿透颅骨的治疗效果；

28、4、本发明所提出的适应于真实颅骨的声人工匹配层分析方法，设计了相控互补声学人工(phased complementary acoustic metamaterials，pcmm)结构，实现了单一换能器增强声波透过颅骨等高阻抗介质聚焦到靶区目标聚焦消融的目的。解决了真实颅骨复杂特性的透声衰减的问题，设计了匹配层结构，实现了透声量大幅提升，为个性化无创经颅声波刺激提供有效的解决方案。

技术特征：

1.一种无创声波经颅刺激装置，其特征在于，包括相控互补声学人工结构和单换能器；

2.根据权利要求1所述的无创声波经颅刺激装置，其特征在于，所述相控互补声学人工结构包括组合设置的顶部部分、中间部分以及底部部分；

3.根据权利要求2所述的无创声波经颅刺激装置，其特征在于，所述底部部分用于相控表面的空间卷曲结构，改变等效长度进行相位累计，进行和相控阵前后界面的声阻抗匹配；

4.根据权利要求2所述的无创声波经颅刺激装置，其特征在于，所述中间部分根据互补声学匹配层阻抗特性要求，为消除密度为ρ0和声速为c0的畸变层，在畸变层前置相同厚度、等效密度为ρ0和等效声速为c0的匹配层结构；

5.根据权利要求2所述的无创声波经颅刺激装置，其特征在于，所述顶部部分通过坐标变换得到平直坐标系空间下颅骨的声学特性，由颅骨模型的几何参数提取外部轮廓坐标，获得拟合后的颅骨内外轮廓曲面。

6.一种无创声波经颅刺激装置的生成方法，其特征在于，应用权利要求1-5任一所述的无创声波经颅刺激装置，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的无创声波经颅刺激装置的生成方法，其特征在于，所述部分获取步骤包括中间部分获取步骤：从三维数据中提取颅骨的声学特性，通过利用变换声学和坐标变化法对颅骨的声学特性进行处理获取中间部分声学特性，进而利用等效材料参数提取阀对中间部分声学特性进行处理得到的阻抗匹配部分，为中间部分。

8.根据权利要求6所述的无创声波经颅刺激装置的生成方法，其特征在于，所述部分获取步骤包括顶部部分获取步骤：从三维数据中获取颅骨坐标数据，根据颅骨坐标数据获取与颅骨外轮廓贴合的顶部部分。

9.根据权利要求6所述的无创声波经颅刺激装置的生成方法，其特征在于，所述部分获取步骤包括底部部分获取步骤：利用自弯曲声束法从三维数据中获得聚焦靶点的相位和频率，通过传递矩阵法对获得无源相控阵，通过无源相控阵对聚焦靶点相位和频率进行处理，生成的相位调制相控声人工结构为底部部分。

10.根据权利要求6所述的无创声波经颅刺激装置的生成方法，其特征在于，该方法还包括经颅刺激步骤：利用单换能器产生声波，声波经过相控互补声学人工结构和颅骨对待刺激靶区目标进行聚焦刺激。

技术总结
本发明提供了一种无创声波经颅刺激装置及其生成方法，包括相控互补声学人工结构和单换能器；所述单换能器产生的声波经过相控互补声学人工结构和颅骨对待刺激靶区目标进行聚焦刺激。本发明提供一种可穿透颅骨的无创声波经颅刺激装置，相比较现有技术，不限于超声频段，透声损失小，聚焦精度高，制作简便，且满足个性化治疗需求，是一种安全有效的非侵入相控聚焦增强透声系统。

技术研发人员：黄煜,张旭,蒋伟康,李卫东
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13