CN117379102A - 一种基于电磁致声的经颅声波收发方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于电磁致声的经颅声波收发方法，首先产生一个固定磁场强度的静磁场，外部激励源产生外加电磁波信号，该电磁波信号穿过头盖骨进入颅内，并与颅内放置的金属薄片(具有生物相容性)相互作用，在静磁场和外加电磁波的共同作用下由于电磁致声效应产生与外加激励源频率相同的声波信号。由于电磁致声效应具有互易性，因此，由于电磁致声逆过程，本发明还可以接收颅内与声波回波波形一致的电磁波信号。头盖骨利于电磁波传输，而不利于声波传输，因此，通过电磁致声效应，避免了传统经颅超声与头盖骨的强烈互作用，既可提高经颅超声的成像质量，还可以提升经颅超声调控的精度和效率，更安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于经颅声成像和声波刺激领域，尤其涉及一种基于电磁致声的经颅声波收发方法、装置及系统。
背景技术
大脑是人体最复杂、最重要的器官，也是目前人类急切渴望探索的重要研究方向。目前临床中用于人脑结构和功能研究的技术手段主要有MRI/fMRI、CT、PET、SPECT、EEG、MEG、fNIRS、US等其他一些基于主动和被动式脑信号探测的技术；而用于脑调控的方法主要也是基于电磁波(光波、微波)和声波的方法。其中由于超声成像具有分辨率高、无损，且波束易于调控等优势，使得经颅超声成像和调控成为当下脑科学领域的一个重要研究热点，尤其是开颅后功能超声(fUS)对微细血管及其血流动力学的研究为我们展现出了大脑前所未有的在体功能和结构信息，为进一步研究脑相关疾病和认知以及神经科学提供了强有力的技术手段。同时超声波单独使用，以及结合超声微泡打开血脑屏障实现药物递送的调控技术也逐渐展现出良好的临床应用前景，尤其是在基于MRI引导超声聚焦术(MRgFUS)无创性脑深部消融手术方面取得的进展为诸如原发性震颤在内的多种脑疾病患者带来了福音。然而，虽然超声具有无创、时空分辨率高、安全性好等优点，但头盖骨对超声的反射、散射、模式变换等会严重影响经颅超声波能量传播与声场分布使得高分辨率超声成像需要开颅，以及精准脑深部消融需要价格昂贵、系统复杂且庞大的相控超声发射技术结合MRI引导才能实现。
如何克服头盖骨对声波的影响是经颅高分辨率超声成像和精准调控领域的一大难题。针对传统经颅声波收发方法使用颅外声波激发和接收，难以避免颅骨对超声波传播和声场分布的影响，使得经颅超声成像和精准波束调控变得异常困难。众所周知，电磁波对头盖骨具有良好的穿透特性，这也是EEG、MRI以及微波脑成像等技术的物理基础。
发明内容
本发明提供一种基于电磁致声的经颅声波收发方法、装置及系统，既可以提高经颅超声的成像质量，还可以提升经颅超声调控的精度和效率，更加安全可靠。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于电磁致声的经颅声波收发方法、装置及系统的具体技术方案如下：
一方面，本发明提出了一种基于电磁致声的经颅声波收发方法，包括以下步骤：
S1：搭建并连接好经颅声波收发装置；具体为：在头盖骨内待成像或探测区域贴上金属薄片，金属优选为钛，处理器连接信号发生器，信号发生器连接电磁致声超声换能器(Electroma gnetic Acoustic Transducer，电磁致声)；
S2：在处理器上设定所需要的电磁波信号特性，包括：频率、幅值和占空比等，然后电磁致声超声换能器进行预热后向金属钛片发射电磁波信号；
S3：颅内金属钛片耦合电磁波信号，吸收电磁致声超声换能器发射的部分微波能量转化成声能，产生超声信号在颅内传播。
S4：金属钛片反射产生的电磁波信号给电磁致声超声换能器，接收到反射信号后处理器进行成像和调控。
在头盖骨中以电磁波信号为载体进行信息传输，将所需激发的超声波波形调制为电磁波波形进行无线传输；电磁波可以基本无损实现经颅传播，在静磁场和外加电磁波的共同作用下，颅内放置的金属薄片由于电磁致声效应产生与外加激励源频率相同的机械波(声波)信号，通过设置不同形式的外加电磁波(脉冲波形、占空比等)，该声波信号可以用于声刺激相关的物理治疗以及用作超声成像的发射源。该形变与外加静磁场共同作用，由于电磁致声逆过程，还可产生与该声波波形一致的电磁波信号，通过检测该电磁波信号，可以实现颅内声波信号的无损经颅超声检测。
另一方面，本发明提出了一种基于电磁致声的经颅声波收发的装置，包括：处理器210、信号发生器220、电磁致声超声换能器230和颅内金属薄片240；其中处理器210用于设定所需发射的电磁波信号特性，包括：频率、幅值和占空比等；然后将电磁波信号发送给信号处理器220，用于产生设定的电磁波信号，电磁致声超声换能器230接收到信号发生器220输入的电磁波信号后，发射信号用于经颅激发；颅内金属薄片240耦合电磁波信号，将电磁致声超声换能器发射的部分电磁波能量转化成声能，产生声波信号在颅内传播，声波信号对大脑进行成像和调控。
另一方面，本发明提供了一种基于电磁致声的经颅声波收发的系统，包括上述基于电磁致声的经颅声波收发的装置。
本发明相比传统经颅超声刺激和成像，有如下有益效果：
1、本发明利用电磁致声效应，利用对头盖骨具有良好穿透特性的电磁波直接在颅内产生超声波信号，避免了头盖骨对超声信号的强烈散射、吸收和模式转换等；
2、本发明基于电磁致声效应在金属薄片上产生的声波信号频率和调制方式可根据电磁波信号任意调控，可满足不同刺激精度和成像分辨率对声波频率的需求；
3、本发明可直接通过调节外加静磁场和外加电磁波信号强度调控产生的超声波信号强度以及检测经颅声波信号的灵敏度，具有更高效和更灵活的经颅超声刺激和成像能力。
附图说明
图1是根据本发明实施例一的经颅声激发方法的示意性流程图。
图2是根据本发明实施例二的经颅声激发装置的框图。
图3是洛伦兹力式电磁声换能器原理图。
图4为玻璃片模拟头骨遮挡声场实验效果图，其中，(a)为放玻璃片系统实物图；(b)为无玻璃片纵向声场图；(c)为有玻璃片纵向声场图；(d)为两者纵向声场图的差；(e)为不放玻璃片实物图；(f)为无玻璃片横向声场图；(g)为有玻璃片横向声场图；(h)为两者横向声场图的差。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于电磁致声的经颅声波收发方法、装置及系统做进一步详细的描述。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1是根据本发明实施例一的经颅声波收发方法的示意性流程图，包括以下步骤：
S1：搭建并连接好经颅声波收发装置；具体为：在头盖骨内待成像或探测区域贴上金属薄片，金属优选为钛，处理器连接信号发生器，信号发生器连接电磁致声超声换能器；
S2：在处理器上设定所需要的电磁波信号特性，包括：频率、幅值和占空比等，然后使用电磁致声超声换能器进行预热后向金属钛片发射电磁波信号；
S3：颅内金属钛片耦合电磁波信号，吸收电磁致声超声换能器发射的部分微波能量转化成声能，产生超声信号在颅内传播。
S4：金属钛片反射产生的电磁波信号给电磁致声超声换能器，接收到反射信号后处理器进行成像和调控。
本发明的一种基于电磁致声的经颅声波收发方法的作用机理是：首先在人脑周围产生一个固定磁场强度的静磁场(该磁场大小与激发和接收声波灵敏度正相关)，外部激励源产生外加电磁波信号(频率可以任意设定，频率越高穿透性越差，但所需激励天线越小)，以天线(在本发明中指电磁致声超声换能器)向颅内辐射电磁波信号，该电磁波信号穿过头盖骨进入颅内，并与颅内放置的具有生物相容性的金属薄片相互作用，在静磁场和外加电磁波的共同作用下由于电磁致声效应产生与外加激励源频率相同的机械波(声波)信号，通过设置不同形式的外加电磁波(脉冲波形、占空比等)，该声波信号可以用于声刺激相关的物理治疗以及用作超声成像的发射源。由于电磁致声效应具有互易性，因此，当外加激励电磁波信号设置为超声成像所需的脉冲波形时，遇到不同声阻抗的脑组织后该信号会发生回波反射，反射回波引起金属薄片发生形变，该形变与外加静磁场共同作用，由于电磁致声逆过程，产生与该声波波形一致的电磁波信号，通过检测该电磁波信号，可以实现颅内声波信号的无损经颅超声检测，从而实现高分辨率经颅超声成像。头盖骨利于电磁波传输，而不利于声波传输，因此，通过电磁致声效应，本发明避免了传统经颅超声传播过程中与头盖骨的强烈互作用，既可以提高经颅超声的成像质量，还可以提升经颅超声调控的精度和效率，更加安全可靠。
为研究本发明所提基于电磁致声的经颅声场分布和传播不受头盖骨的影响，使用与头盖骨具有相似介电和声学特性的5mm厚规则有机玻璃板(图4(a))模拟进行声场分布定量实验研究。实验结果表明：有(图4(a))、无(图4(e))有机玻璃板遮挡电磁致声超声换能器对应的纵向声场分布(图4(b)和(c))基本无变化，且二者之差(图4(d))进一步表明了头盖骨不影响本文所提基于电磁致声超声换能器的经颅声场分布。横向声场分布测试结果(图4(f)，(g)和(h))与纵向声场分布测试结果一致，由图4可知在有无模拟头盖骨玻璃片遮挡的情况下，所产生的的超声波信号强度以及分布均不受影响。说明本发明所提方法可以实现高效的经颅超声调控。
实施例二
图2是根据本发明实施例二的经颅声波收发装置的示意图，包括处理器210、信号发生器220、电磁致声超声换能器230和颅内金属薄片240；其中处理器210用于设定所需发射的电磁波信号特性，包括：频率、幅值和占空比等；然后将电磁波信号发送给信号处理器220，用于产生设定的电磁波信号，电磁致声超声换能器230接收到信号发生器220输入的电磁波信号后，发射信号用于经颅激发；颅内金属薄片240耦合电磁波信号，将电磁致声超声换能器发射的部分电磁波能量转化成声能，产生声波信号在颅内传播；声波信号对大脑进行成像和调控。
其中，电磁致声超声换能器的原理如图3所示。探头内部该类型超声换能器为洛伦兹力式电磁超声换能器，主要由激励线圈和磁铁构成，其中激励线圈用于产生高频激发磁场；磁铁用于提供外加稳定磁场，可以是永磁铁或电磁铁。以图一为例作为简单说明，以电磁铁为换能器电磁致声超声换能器提供稳定磁场H作为偏置磁场，激励线圈中通入高频交变电流J，电流会产生交变磁场Hd，交变磁场会在导体金属薄片表面产生交变涡流Js，稳定磁场和交变磁场一起与交变涡流相互作用会产生洛伦兹力FL，洛仑兹力作用在导体金属薄片的晶格之上，使晶格产生弹性振动，具有速度和位移的弹性振动在导体金属薄片材料中传播就形成了各种声波，声波的频率与交变电流的频率相同。基于电磁致声超声换能器的声波接收是该过程的逆过程。
如图3所示假设位移电流密度为零，由高频电流J＝Ieiωt所产生的交变磁场强度Hd为：
▽×Hd＝Ieiωt
其中，i为虚数，I为电流，ω为角频率，t为时间，交变磁场会在导体中产生电场，所以Hd在金属薄片中会产生电涡流强度Es，若金属薄片的电导率为γ时其表面产生的电涡流密度Js为：
Js＝γEs
磁铁放置在导体金属薄片附近，这样金属薄片就会被磁铁磁化，这样金属薄片晶格所受到的洛伦兹力体密度fL就为：
fL＝Js×(BS+Bd)
Bs和Bd分别为由磁铁磁化的磁感应强度和高频电流所产生的磁感应强度,金属薄片受到的总洛伦兹力就为洛伦兹力体密度的积分。
颅内金属薄片接收来自电磁致声超声换能器所发射的电磁波信号和磁化的静磁场，并在静磁场和外加电磁波的共同作用下，得到可以用于声刺激相关的物理治疗以及用作超声成像的发射源信号。通过电磁致声效应，颅内产生的超声波信号避免了传统经颅超声传播过程中与头盖骨的强烈互作用，既可以提高经颅超声的成像质量，还可以提升经颅超声调控的精度和效率，更加安全可靠。
实施例三
本发明还提供了一种经颅声波收发系统，该系统包括了经颅声波收发装置。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种基于电磁致声的经颅声波收发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建并连接好经颅声波收发装置；具体为：在头盖骨内待成像或探测区域贴上颅内金属薄片，处理器连接信号发生器，信号发生器连接电磁致声超声换能器；
S2：在处理器上设定所需要的电磁波信号特性；然后使用电磁致声超声换能器进行预热后向金属钛片发射电磁波信号；
S3：颅内金属薄片耦合电磁波信号，吸收电磁致声超声换能器发射的部分微波能量转化成声能，产生超声信号在颅内传播；
S4：颅内金属薄片反射产生的电磁波信号给电磁致声超声换能器，接收到反射信号后处理器进行成像和调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁致声的经颅声波收发方法，其特征在于，所述颅内金属薄片为钛金属。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁致声的经颅声波收发方法，其特征在于，所述电磁波信号特性包括：频率、幅值和占空比。
4.一种基于电磁致声的经颅声波收发装置，其特征在于，所述收发装置包括：处理器(210)、信号发生器(220)、电磁致声超声换能器(230)和颅内金属薄片(240)；其中处理器(210)、信号发生器(220)、电磁致声超声换能器(230)依次连接，颅内金属薄片(240)放置在颅内。
5.根据权利要求4所述的种基于电磁致声的经颅声波收发装置，其特征在于，所述电磁致声超声换能器由激励线圈和磁铁构成，其中激励线圈用于产生高频激发磁场；磁铁用于提供外加稳定磁场。
6.根据权利要求5所述的种基于电磁致声的经颅声波收发装置，所述电磁致声超声换能器的磁铁为永磁铁或电磁铁。
7.一种基于电磁致声的经颅声波收发系统，其特征在于，包括如权利要求4-6任一所述的一种基于电磁致声的经颅声波收发装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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