一种基于大规模面阵元的超声脑刺激或调控方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于医疗领域，尤指一种基于大规模面阵元的超声脑刺激或调控方法及装置。
【背景技术】
[0002]功能性脑疾病(帕金森病、阿尔茨海默病、癫痫、抑郁症等)已成为全球性的重大医学问题和沉重社会负担。目前对功能性脑疾病的确切机理仍不清楚，并缺乏有效的治疗措施，仍然是全球面临的重大医学挑战。继1870年德国科学家报道了电刺激下犬的大脑皮层可引发特定的躯体反应之后的100多年里，电、磁、光等技术与神经科学相结合产生了深部脑电刺激、磁刺激、光基因调控等神经刺激与调控技术。这些神经调控技术的出现极大地促进了也开启了情感、记忆、认知等神经科学和脑科学研究的快速发展和脑疾病干预和治疗技术与仪器应用。然后，电极刺激和光遗传学等神经调控工具由于对大脑有创伤，限制了其在脑疾病研究中的应用。磁刺激只能对浅脑皮层作用，且缺乏空间精度。超声波的独特机械波物理属性及其力学效应控制神经细胞电活动的新发现，使其成为实现无创神经刺激与脑疾病研究和治疗的一种极具潜力的新手段。
[0003]神经刺激与环路调控的技术和工具是推动神经科学发展的重要动力。神经系统刺激技术的当前目标是通过递送外源性能量至完整的回路而调节神经元活动，从而调节神经性系统功能。电、磁、光等技术与神经科学相结合产生了深部脑电刺激、磁刺激、光基因调控等神经刺激与调控技术。
[0004]电极深部脑刺激(DeepBrain Stimulat1n ,DBS)是将电极植入的脑内特点神经核团靶点，通过可控的高频电流刺激抑制靶点细胞的异常神经功能，达到有效干预和治疗疾病的目的。自1987年首次被用于震颤的控制以来，全世界共有10多万名患者植入了 DBS装置，为众多难治性的脑疾病如帕金森症、抑郁症、难治性癫痫、肌张力失调、顽固性疼痛、强迫症等提供了一种有效的干预方法。但是，DBS的应用也存在着重要的局限:临床通过开颅手术将I?2根电极植入深脑组织对于核团进行刺激是对脑组织和神经环路造成永久的创伤、靶点无法更换、难以实现更多部位核团的刺激，而且整个电源供给装备也要手术植入到身体中。在个体的脑部施加的刺激电极会影响机体的正常功能，DBS电极使用一段时间以后，在电极周围会形成胶质细胞鞘，不仅影响电极的效率，还会影响机体的正常功能，而且，在施加电刺激时，所施加的电刺激总是引起兴奋性反应，只有在刺激抑制性核团时，才能引起抑制性反应，这些缺点也限制了电刺激技术在调控神经环路方面的应用。
[0005]经烦磁刺激(TranscranialMagnetic Stimulat1n，TMS)技术是无创的治疗技术，它由放置于头皮上的磁性线圈产生的瞬时、高伏脉冲产生一个垂直于线圈平面的磁场域，作用与大脑组织并产生感应电流，使神经细胞去极化并产生诱发电位。该技术可以用于评价神经电生理传导通路，尝试用于抑郁症、癫痫、中风、精神分裂症、自闭症等疾病的神经康复治疗。然而，TMS技术存在刺激的深度不够、无法聚焦、刺激分辨率低和刺激区域难以确定等瓶颈。[000?]近十多年来新兴发展起来的光遗传学技术(Optogenetics)，实现了在细胞水平选择性调控某一微环路，即通过给予不同波长的激光实现对某一环路的兴奋性或者抑制性调控，有力地推动了神经科学的发展。但是，光遗传学技术是通过给与不同波长的激光来激活光敏感通道，由于生物组织对于光的强烈吸收严重限制了光的传播距离(仅有若干毫米)，因此需要在患者或被试动物的相应脑区插入光纤和光纤导管，这在操作时不可避免的会损伤部分脑区，从而导致神经系统的某些生理功能丧失。
[0007]调节神经活动的方法包括侵入和非侵入技术。然而，这些技术中的多种例如DBS和光遗传学技术需要刺激电极的外科手术移植，其是侵入、昂贵和甚至危险的过程。例如，刺激电极的外科手术移植增加了二次医疗风险例如感染。而TMS虽然是非侵入式，却存在刺激深度不够、无法聚焦、刺激分辨率低和刺激区域难以确定等瓶颈，无法应用于深脑刺激。
[0008]超声作为一种机械波，是由物体(声源)振动产生，并通过压缩和膨胀媒质导致其传播，医学超声通常是指频率在20kHz到1MHz区间内的声波。超声除了具有波的一般属性，还有一个重要特点，其在水、肌肉等人体组织内的衰减很小，可以抵达较深的人体组织。医学超声波与人体组织相互作用，主要应用了声波与物质相互作用的基本物理特性，具有波动效应、力学效应和热效应等三大声学效应，这些效应在生物医学中有着重要的应用或重大潜力。传统的超声基于波动效应和热效应，已经发展成为具有成像诊断和热消融治疗两大基本功能。波动效应可用于B超、彩超、造影等在临床具有十分广泛应用的超声成像诊断技术;热效应可用于肿瘤的热消融和神经核团毁损治疗，比如高强度聚焦超声(HIFU)。
[0009]超声神经刺激与调控的优势是其非侵入性质。超声在分子、细胞、动物和人脑水平的神经调控最新科学证据有力证明了超声可以穿过人的颅骨无创、有效调节突触可塑性、神经元调控和深部脑区神经核团。
[0010]在名称为经颅超声刺激修复脑神经功能的装置及方法(申请号CN201210576849.4)的专利申请中，其公开了一种经颅超声刺激修复脑神经功能的装置及方法，该装置包括函数信号发生器、功率放大器及超声换能器，其中，该函数信号发生器产生刺激所需的刺激信号后，通过该功率放大器放大至该超声换能器所需的高压脉冲信号，而后通过该超声换能器得到超声刺激信号，以对脑组织进行刺激，通过本发明，可以实现低功率、高分辨率、无创的神经修复治疗目的。
[0011]在名称为使用超声用于调节细胞活性的方法和装置(申请号CN201510378861.8)的专利申请中，其公开了用于调节活细胞(例如在人、动物、植物、昆虫、微生物和其他有机体中发现或衍生的细胞)的一种或多种活动的方法和装置。本发明的方法包括施用超声(例如低强度低频超声)至活细胞以影响细胞和调节细胞活性的应用。本发明的装置包括产生超声波的一种或多种组件，例如超声发射器、换能器、或压电换能器、复合换能器、CMUTjP可设置为单或多换能器或设置在阵列构造中的组件。超声波可以是任何形状的，并且可以是聚焦的或未聚焦的。
[0012]在名称为调节大脑活动的设备和方法(申请号:CN201080056295.4)的专利申请中，其提供了用于大脑调节的设备和方法。该设备包含主体和用于激活大脑的部件。这样的部件包括超声换能器。该设备用于将超声波提供给戴着该设备的对象中的大脑结构，以便执行治疗创伤性大脑损伤、影响姿势控制、影响警觉性、注意力、和警惕性、提供记忆控制、改变大脑血管血流动力学、使压力最小、以及强化行为动作的方法。
[0013]在上述三篇已公开的专利方案中，存在以下不足:
[0014]第一篇专利的方案使用了单阵元的超声换能器。虽然，在其权利要求书中提出该超声换能器上配以不同直径准直器或采用自聚焦的超声换能器。但是由于颅骨非均匀性和对超声的强散射性，无论是采用准直器，还是自聚焦超声换能器，超声波通过颅骨后的传播路径难以控制，因此很难实现精准定位。
[0015]第二篇专利存在以下缺点:1、虽然权利要求书中提出超声波组件可包括I至1000个阵元，但是对于阵元的排布并没有给出优化的排布方式;2、虽然权利要求书中提出所述超声换能器元件使用模拟或数字波形驱动，使得刺激波形含有单或多超声频率，但是没有提出对超声换能器阵列中的元件采取个性化的驱动参数(如电压、时间延迟)，以克服由于颅骨非均匀性对超声的强散射，从而穿过颅骨之后可以在深脑产生精准聚焦;3、虽然在其权利要求书中提出超声波组件可包括多至1000个阵元，但是在某些应用场合，可能需要用到更大规模的阵列排布(>1000)，以产生更精确的空间聚焦。
[0016]第三篇专利提出的设备包含主体和用于激活大脑的部件，将超声波提供给戴着该设备的对象中的大脑结构，以便调节大脑活动。在调节大脑活动的时候，需要对大脑中多个不同的位置进行刺激，而该方案没有说明通过超声阵列以及对超声阵列的精确控制，实现在深脑的三维精确多点刺激方法。
【发明内容】
[0017]针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于大规模面阵元的超声脑刺激与调控装置与方法。该装置包括大规模面阵列超声波换能器、超声波控制器、超声耦合装置等。该方法是通过超声波控制器控制超声波换能器阵列发射超声波，经过声耦合装置和颅骨，在深部脑区的一个或多个位置进行精准聚焦，进行声刺激或调控。
[0018]为达到上述目的，本发明提出了一种基于大规模面阵元的超声脑刺激或调控方法，该方法包括:步骤I，建立头部三维数字模型;步骤2，在大脑需要刺激或调控的位置设置虚拟声源，并利用该虚拟声源向四周发射超声波;步骤3，基于所述头部三维数字模型进行声场仿真，模拟所述虚拟声源发射的超声波经脑部组织、颅骨、超声波耦合装置后，到达阵元位置时的声学参数，并仿真获得