CN104545919A - 一种超声穿颅聚焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声穿颅聚焦的方法，所述方法包含：获得患者颅骨图像，并重建出其颅骨的三维数字模型；将该颅骨三维数字模型导入3D打印机，获得对应的颅骨实体模型；对所述颅骨实体模型进行时间反演，获得超声穿颅聚焦发射序列。以此，通过3D打印技术精确复制患者颅骨的实体模型，再运用时间反演法在患者体外建立个性化的超声穿颅聚焦发射序列，从而实现精确聚焦。该方法能够有效提高超声深脑刺激的准确性、治疗效率和安全性。

Description

一种超声穿颅聚焦的方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤指一种超声穿颅聚焦的方法。

背景技术

随着社会老龄化和日渐加深的心理压力等因素的影响，世界范围内包括帕金森病、肌张力失常、强迫症、抑郁症、癫痫等神经精神疾病患者的数量急剧增加，目前全球患者已逾五亿六千万。德国的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。这一重大发现，在此后的一个世纪催生了大脑电刺激、磁刺激、神经植入等系列干预技术，极大促进了人们对脑皮层功能定位的认识和脑疾病研究仪器的研发，并开启了情感、记忆、认知等脑功能调控和心理、精神疾病干预治疗的新篇章。利用超声实现非侵入式的深脑神经刺激，不仅安全有效，还可以实现定点特异性神经网络调控、多点网络神经调控等其他方法难以实现的功能,有助于开发中枢神经疾病的潜在疗法，也为探索正常人脑功能，理解认知、决策与思维、精确掌握神经环路活动带来了强有力的新工具。

利用经颅聚焦超声进行非侵入式深脑神经调节需要解决的关键问题之一，就是如何克服颅骨对超声的影响。颅骨的密度和声速都大约是其他人体软组织的两倍，声衰减系数则至少高出一个数量级，再加上颅骨具有多层、充液和多孔的非均匀性复杂结构，造成超声穿过颅骨后发生显著的相位畸变和能量衰减，超声焦域出现形状扭曲和位置偏移，以至无法进行精确有效的神经刺激(如图3所示)。此外，颅骨还有可能引起驻波等次生效应，特别是当使用低频和长脉冲超声时，可能在“头骨-组织”及“空气-组织”界面形成能量累积现象。虽然使用250KHz左右的低频超声(其波长与颅骨厚度相当)可以在一定程度上减少相位畸变。但低频超声的焦域更大，空化阈值更低，增加了不必要的风险。因此，临床上一般使用频率为600-1000MHz的超声，而在这些频率上，颅骨引起的相位畸变非常明显。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种超声穿颅聚焦的方法，在保证患者安全性的前提下，提高超声深脑刺激的准确性、治疗效率。

为达上述目的本发明所提供的超声穿颅聚焦的方法具体如下：获得患者颅骨图像，并重建出其颅骨的三维数字模型；将该颅骨三维数字模型导入3D打印机，获得对应的颅骨实体模型；对所述颅骨实体模型进行时间反演，获得的超声穿颅聚焦发射序列。

在上述实施例中，优选的还包含：对患者进行头部三维磁共振成像扫描和三维CT成像扫描，并将获得的数据进行三维重建和配准，建立患者颅骨的三维数字模型。

在上述实施例中，优选的还包含：将颅骨的三维数字模型导入3D打印机中，利用声学参数与颅骨一致的3D打印材料，将颅骨按照同样的尺寸和结构，打印获得颅骨实体模型。

在上述实施例中，优选的还包含：将颅骨实体模型与超声换能器阵列放入水槽中，在目标聚焦的位置放置水听器；依次激励超声换能器阵列中的每一个单独阵元，所述水听器接收到所述超声换能器阵列中的每一个单独阵元受到激励所发出的超声波，经过压电转换后得到多组电压信号，所述多组电压信号的数目对应于超声换能器阵列中的阵元数目；将所述多组电压信号进行时间反演后，得到一组超声发射序列；通过该组超声发射序列激励超声换能器阵列，超声换能器阵列中的所有阵元发出的超声信号，在到达目标聚焦的位置时相位相同，发生相干叠加，形成聚焦。

在上述实施例中，优选的还包含：将颅骨实体模型与超声换能器阵列放入水槽中，在目标聚焦的位置放置单阵元超声换能器；所述单阵元超声换能器发出的超声波传播到超声换能器阵列所处位置时，被超声换能器阵列接收并经过压电转换后得到多组电压信号，所述多组电压信号的数目对应于超声换能器阵列中的阵元数目；将所述多组电压信号进行时间反演后，得到一组超声发射序列；通过该组超声发射序列激励超声换能器阵列，超声换能器阵列中的所有阵元发出的超声信号，在到达目标聚焦的位置时相位相同，发生相干叠加，形成聚焦。

在上述实施例中，优选的还包含：该时间反演为将信号沿时间轴方向进行前后翻转。

本发明还提供一种超声穿颅聚焦的方法，所述方法还包含：获得患者颅部参数；通过3D打印技术与所述患者颅部参数，获得颅部实体模型；对所述颅部实体模型进行时间反演，获得的超声穿颅聚焦发射序列。

在上述实施例中，优选的还包含：所述获得患者颅部参数包含：通过脑部医学图像获得脑部软组织的结构参数，以及颅骨外的皮肤组织的结构参数。

在上述实施例中，优选的还包含：所述获得患者颅部参数还包含：通过脑部医学图像获得脑部软组织的声学参数，以及颅骨外的皮肤组织的声学参数。

本发明的有益技术效果在于：通过3D打印技术精确复制患者的颅骨实体模型，再运用时间反演法在患者体外建立个性化的穿颅聚焦超声发射序列，从而实现精确聚焦。该方法能够有效提高超声深脑刺激的准确性、治疗效率和安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明提供的超声穿颅聚焦的方法流程图；

图2为本发明提供的超声穿颅聚焦的方法另一实施例流程图；

图3为植入水听器法的系统结构图；

图4A-图4B为二维平面中利用超声时间反演软件获得实现穿颅聚焦所需超声发射序列的方法的仿真实验图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1所示，图1为本发明提供的超声穿颅聚焦的方法流程图，所述超声穿颅聚焦的方法具体如下：步骤S101：获得患者颅骨图像，并重建出其颅骨的三维数字模型；步骤S102：将该颅骨三维数字模型导入3D打印机，获得对应颅骨实体模型；步骤S103：对所述颅骨实体模型进行时间反演，获得的超声穿颅聚焦发射序列。

在上述实施例中，优选的还包含：对患者进行头部三维磁共振成像扫描和三维CT成像扫描，并将获得的数据进行三维重建和配准，建立患者颅骨的三维数字模型。

在上述实施例中，优选的还包含：将颅骨的三维数字模型导入3D打印机中，利用声学参数与颅骨一致的3D打印材料，将颅骨按照同样的尺寸和结构，打印获得颅骨实体模型。上述3D打印材料选择上取贴近与真实颅骨的声学参数相近的材料，以此使得后续测试时，得到的参数更为准确，在此不在详述。

请参考图2所示，本发明还提供一种超声穿颅聚焦的方法，所述方法还包含：步骤201：获得患者颅部参数；步骤202：通过3D打印技术与所述患者颅部参数，获得颅部实体模型；步骤203：对所述颅部实体模型进行时间反演，获得的超声穿颅聚焦发射序列。其中，所述获得患者颅部参数包含：通过脑部医学图像获得脑部软组织的结构和声学参数，以及颅骨外的皮肤组织的结构和声学参数。此处，获取声学参数的作用在于后续选择或者制备合适的打印材料，使得打印出来的颅部实体模型与真实的颅部从声学属性上看基本完全一致，这样得到的时间反演序列应用于真实的患者颅部时才能得到更好的聚焦效果。

在上述实施例中，优选的还包含：将颅骨实体模型与超声换能器阵列放入水槽中，在目标聚焦的位置放置水听器；依次激励超声换能器阵列中的每一个单独阵元，所述水听器接收到所述超声换能器阵列中的每一个单独阵元受到激励所发出的超声波，经过压电转换后得到多组电压信号，所述多组电压信号的数目对应于超声换能器阵列中的阵元数目；将所述多组电压信号进行时间反演后，得到一组超声发射序列；通过该组超声发射序列激励超声换能器阵列，超声换能器阵列中的所有阵元发出的超声信号，在到达目标聚焦的位置时相位相同，发生相干叠加，形成聚焦。

在上述实施例中，优选的还包含：将颅骨实体模型与超声换能器阵列放入水槽中，在目标聚焦的位置放置单阵元超声换能器；所述单阵元超声换能器发出的超声波传播到超声换能器阵列所处位置时，被超声换能器阵列接收并经过压电转换后得到多组电压信号，所述多组电压信号的数目对应于超声换能器阵列中的阵元数目；将所述多组电压信号进行时间反演后，得到一组超声发射序列；通过该组超声发射序列激励超声换能器阵列，超声换能器阵列中的所有阵元发出的超声信号，在到达目标聚焦的位置时相位相同，发生相干叠加，形成聚焦。其中，时间反演为将信号沿时间轴方向进行前后翻转，具体方法如下：

时间反演法可以同时进行上述的相位和幅度校正，它最初由法国的M.Fink等人提出。首先使用超声换能器接收某个强反射子发出的超声波，并将所接收的声压波形在一段时间轴上前后翻转，再用翻转后的信号激励换能器发射超声波，因为超声波的传播在时域可逆，其传播路径会与接收时保持一致，因此会重新聚焦于强反射子的位置。该方法最初被用于冲击波碎石，因为人体内的结石是天然的强反射体。但是，人脑中并不存在这样的天然反射体。因此，在将这种方法应用于经颅超声聚焦时，逐渐发展出三种不同的实现时间反演的方法。

一、植入水听器法

请参考图3所示，图3为植入水听器法的系统结构图；Hynynen等提出的植入水听器法，是将水听器放置在希望聚焦的位置，然后对换能器阵列中的每个阵元依次单独激励。这时可以用水听器测量由于颅骨存在所引起的相位偏移，在激励信号上对这些相位偏移进行补偿，就可以实现超声在期望焦点位置的聚焦。虽然这种方法所得到的结果目前被认为是同类方法中的“金标准”，但它的应用也受到很大的限制。首先，该方法是有创的，临床应用时需要在大脑植入水听器。第二，如果需要产生一个新的焦点位置，水听器就需要被移动并重复整个植入过程，这将极大地增加处理时间和出现并发症的风险。后来Clement和Hynynen等改进了该方法，通过引入波束控制来实现焦点位置的移动，但这种移动的范围依然十分有限。

二、空化微泡法

为了解决时间反演法需要大脑中存在主动或被动声源的问题，Pernot等提出一种使用两个不同的超声阵列换能器的方法。首先，使用其中高功率的超声换能器进行一次高强度的瞬时脉冲发射，以在大脑期望聚焦的区域中形成一个空化微泡。微泡破碎所产生的超声信号被另一个超声换能器阵列接收并完成后续的时间反演发射和聚焦。由于只需要产生一个很小的空化微泡，这种方法理论上不会对大脑产生伤害。但是，由于颅骨的存在，使得第一次发射时很难得到足够的声压幅度以在预期位置产生空化效应。为了解决这个问题，Aubry等提出，基于CT图像数据获得颅骨的各种声学参数，再通过有限时域差分法(FDTD)仿真声波穿过颅骨后的声场分布情况，以获得在预期位置形成足够强度声场的初始发射序列。这个初始发射序列被用来在聚焦区域形成空化微泡，实验测得最终获得的焦点声压强度达到了植入水听器法的97％。为避免诱导空化所需要的高声压对大脑造成伤害，Haworth等对上述方法进行了改进，先将某种易于气化的微小液滴注射到预期聚焦区域，在利用高频高功率超声使其瞬间气化形成微泡，然后再按照前述方法完成时间反演和穿颅聚焦。

三、虚拟声源仿真法

Marquet等提出，通过在计算机上实现超声波传播过程的精确仿真，完成一次“虚拟”的时间反演，从而获得穿颅聚焦所需的换能器各个独立阵元的超声发射序列。

首先，对多个离体颅骨样本进行计算机断层扫描(CT)扫描获得其CT图像，再利用水听器法测量各个样本所造成的相位畸变，据此推导统计模型，建立起颅骨密度、声速等参数与CT图像的Hounsfield单位(HU)之间的对应关系。然后，对患者头部进行在体CT扫描，并利用上述统计模型从所得图像中获得其密度、声速等，作为FDTD仿真程序求解线性波动方程的输入参数。在仿真程序中，放置一个虚拟声源在预期聚焦位置，仿真其所发射声波传播的整个过程，就可以获得换能器阵元表面空间位置上的声压波形，进而实现时间反演和穿颅聚焦。经过实验验证，由这种方法实现的焦点位置误差为0.7mm，聚焦能量可以达到植入水听器法的90％。

近期很多研究都对该方法进行了尝试和改进，Pinton等先后采用三维FDTD方法实现了虚拟声源发射的线性和非线性声场仿真。由于FDTD法计算时间过长，一些替代算法被相继提出，包括混合有限差分/相位投影算法，基于k空间的声波传播模型数值算法等。Leduc等在最近的一项研究中，采用该方法不仅实现了穿颅聚焦，还通过迭代放置额外点生源的方式，实现了对不需要的多余聚焦区域(比如由驻波引起的额外焦域)的消除。

综上所述，植入水听器法和空化微泡法由于其侵入性和潜在的安全风险，在临床应用中有很大的局限性，不适用于超声深脑刺激。而虚拟声源仿真法便于在治疗前制订周密计划并反复优化，有助于提高治疗效果和安全性，是目前为止最适合在临床上使用的方法。但是，对于存在复杂解剖结构和极度非匀质组织分布的头部，要在可以接受的时间内完成声场仿真，需要硬件具备极强的计算能力。此外，数学仿真的方法通常都是基于多个假设来简化模型和运算复杂度，同时也不可能完全准确的仿真出声波的实际传播模式和真实的声压分布。

基于现有方法的上述缺点，本发明提出一种超声穿颅聚焦的方法，通过3D打印技术精确复制患者的颅骨实体模型，再运用时间反演法在患者体外建立个性化的穿颅聚焦超声发射序列，从而实现精确聚焦。该方法能够有效提高超声深脑刺激的准确性、治疗效率和安全性。

将本发明所提出的超声穿颅聚焦方法运用到实际工作中，具体操作方法如下：

步骤一、对需要进行超声深脑刺激的动物或人进行头部三维磁共振成像扫描和三维CT成像扫描，并将获得的数据进行三维重建和配准，建立起动物或人的颅骨三维数字模型。

步骤二、将颅骨的三维数字模型导入3D打印机中，利用声学参数(密度、声速、声衰减系数等)与颅骨一致的3D打印材料，将颅骨按照同样的尺寸和结构复制出来，获得一个颅骨实体模型。

步骤三、将颅骨实体模型、超声换能器阵列放入水槽中，并按照实际治疗时的情况调整好两者的相对位置，在需要聚焦的位置放置水听器。逐一地激励超声换能器阵列中的每一个单独阵元，所发出的超声波被水听器探测到，记录下超声激励与水听器探测到信号这两个事件之间的精确时间间隔。利用这些时间间隔对每个阵元的超声发射序列进行修正，再用修正后的发射序列同时激励超声换能器阵列中的所有阵元，就可以实现精确的超声穿颅聚焦。

此外，在上述实施例中，也可以在需要聚焦的位置放置一个单阵元超声换能器作为声源。声源所发出的超声波传播到超声换能器阵列所处位置时，被超声换能器接收并经过压电转换后得到一系列电压信号。该电压信号经过超声发射/接收控制系统采集转换为数字信号，再进行时间反演(在时间轴上对信号进行前后翻转)后，用来激励超声换能器阵列，所产生的超声波会在上述放置声源的位置聚焦，也可以得到刺激指定的脑部神经核团所需要的，能够完成穿颅聚焦的超声发射序列。

在上述步骤一中所述的头部三维磁共振成像扫描和三维CT成像扫描，也可以采用其他任何可对颅骨进行成像的医学影像设备进行成像，并将图像融合到颅骨三维数字模型中去。

在上述步骤一中除了颅骨三维数字模型，还可以利用脑部医学图像获得脑部软组织的结构和声学参数，以及颅骨外的皮肤等组织的结构和声学参数，同样通过3D打印技术获得整个头部的实体模型。这样所获得的超声穿颅聚焦发射序列的聚焦效果将会更好。

将本发明提供的超声穿颅聚焦的方法运用到实际工作中取得了良好的效果，具体请参考图4A到图4B所示，图4A-图4B为二维平面中利用超声时间反演软件获得实现穿颅聚焦所需超声发射序列的方法的仿真实验图。

利用植入水听器法，曾有研究报道在离体人体颅骨上进行的时间反演实现超声穿颅聚焦实验。本发明提供用3D打印出的颅骨或头部模型，代替真实的离体颅骨，因此只要3D打印材料能够真实地反映颅骨或头部的声学参数，3D打印技术能够真实地反映颅骨或头部的形状和解剖结构，可以得到理想的超声穿颅聚焦效果。

本发明通过在二维平面中利用超声时间反演软件获得实现穿颅聚焦所需超声发射序列的方法的仿真实验。实验结果如下图所示，图4A中(0，40)处的小圆点为虚拟声源的初始位置，图4B为利用时间反演方法仿真实现的超声聚焦效果；图上边框为1024阵元线阵超声换能器阵列；图中灰色部分为由CT扫描图像重建出的颅骨实体模型，并按照经验公式换算得到其密度、声速等参数，然后导入仿真软件中设置为二维平面对应计算节点的相应数值。从仿真结果看，尽管经过时间反演发射后，超声聚焦点的横向和纵向尺寸都比原声源尺寸有所增加，但能量大部分依然集中在预计位置，可以满足精确定点刺激和保证周围其他区域受到较小影响的双重要求。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述方法包含：

获得患者颅骨图像，并重建出其颅骨的三维数字模型；

将该颅骨三维数字模型导入3D打印机，获得对应的颅骨实体模型；

对所述颅骨实体模型进行时间反演，获得的超声穿颅聚焦发射序列。

2.根据权利要求1所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述获得患者颅骨图像，并重建出其颅骨的三维数字模型包含：对患者进行头部三维磁共振成像扫描和三维CT成像扫描，并将获得的数据进行三维重建和配准，建立患者颅骨的三维数字模型。

3.根据权利要求1所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述将该颅骨的三维数字模型导入3D打印机，获得对应的颅骨实体模型包含：将颅骨的三维数字模型导入3D打印机中，利用声学参数与颅骨一致的3D打印材料，将颅骨按照同样的尺寸和结构，打印获得颅骨实体模型。

4.根据权利要求1所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，对所述颅骨实体模型进行时间反演包含：

将颅骨实体模型与超声换能器阵列放入水槽中，在目标聚焦的位置放置水听器；

依次激励超声换能器阵列中的每一个单独阵元，所述水听器接收到所述超声换能器阵列中的每一个单独阵元受到激励所发出的超声波，经过压电转换后得到多组电压信号，所述多组电压信号的数目对应于超声换能器阵列中的阵元数目；

将所述多组电压信号进行时间反演后，得到一组超声发射序列；通过该组超声发射序列激励超声换能器阵列，超声换能器阵列中的所有阵元发出的超声信号，在到达目标聚焦的位置时相位相同，发生相干叠加，形成聚焦。

5.根据权利要求1所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，对所述颅骨实体模型进行时间反演包含：

将颅骨实体模型与超声换能器阵列放入水槽中，在目标聚焦的位置放置单阵元超声换能器；

所述单阵元超声换能器发出的超声波传播到超声换能器阵列所处位置时，被超声换能器阵列接收并经过压电转换后得到多组电压信号，所述多组电压信号的数目对应于超声换能器阵列中的阵元数目；

将所述多组电压信号进行时间反演后，得到一组超声发射序列；通过该组超声发射序列激励超声换能器阵列，超声换能器阵列中的所有阵元发出的超声信号，在到达目标聚焦的位置时相位相同，发生相干叠加，形成聚焦。

6.根据权利要求5所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述进行时间反演具体包含：将信号沿时间轴方向进行前后翻转。

7.一种超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述方法还包含：

获得患者颅部参数；

通过3D打印技术与所述患者颅部参数，获得颅部实体模型；

对所述颅部实体模型进行时间反演，获得的超声穿颅聚焦发射序列。

8.根据权利要求7所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述获得患者颅部参数包含：通过脑部医学图像获得脑部软组织的结构参数，以及颅骨外的皮肤组织的结构参数。

9.根据权利要求8所述的超声穿颅聚焦的方法，其特征在于，所述获得患者颅部参数还包含：通过脑部医学图像获得脑部软组织的声学参数，以及颅骨外的皮肤组织的声学参数。