用于磁聲耦合刺激的64陣元相控陣超聲換能器的設(shè)計(jì)*

劉煦, 劉睿旭，馬任，周曉青, 殷濤,2 ,劉志朋△

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所,天津 300192；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)中心,北京 100730)

1 引 言

無創(chuàng)神經(jīng)刺激技術(shù)現(xiàn)今被廣泛用于重大腦疾病診斷，預(yù)防及治療[1]。近年來快速發(fā)展的無創(chuàng)刺激技術(shù)有經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)[2]，經(jīng)顱超聲刺激(transcranial ultrasonic stimulation, TUS)[3]，經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)[4]，以及磁聲耦合電刺激技術(shù)(transcranial magneto-acoustic stimulation, TMAS)[5]。其中，TMAS技術(shù)具有精準(zhǔn)高時(shí)空分辨率的特性，可被用于腦醫(yī)學(xué)中認(rèn)知障礙相關(guān)重大疾病的發(fā)病機(jī)制研究[6～7]。

TMAS是2005年由Norton提出[8]。該方法基于磁聲耦合效應(yīng)原理，通過對(duì)生物組織施加磁場和聲場，使組織內(nèi)部導(dǎo)電粒子在磁場中受洛倫茲力作用產(chǎn)生與聲場分布一致的耦合電場，用于刺激生物組織[9]。該方法利用了超聲高精度聚焦特性以及電刺激治療效果的優(yōu)勢，具有極大發(fā)展前景。2016年Zhang等[10]使用TMAS技術(shù)對(duì)雄性SD大鼠大腦皮層各區(qū)域進(jìn)行磁聲耦合刺激實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法相較傳統(tǒng)TUS具有更強(qiáng)的神經(jīng)刺激效果[11～13]。

在超聲和磁場的磁聲耦合效應(yīng)下，組織中產(chǎn)生耦合電流，考慮到深部腦功能區(qū)神經(jīng)刺激的需求，具有更好的深部聚焦性能的超聲聚焦換能器的研制為該技術(shù)的關(guān)鍵[14]。多陣元相控陣超聲換能器，其優(yōu)勢在于利用多個(gè)陣元可被相位控制的優(yōu)點(diǎn)，使發(fā)出的聲波聚焦在一個(gè)區(qū)域內(nèi)形成疊加能量，進(jìn)而提高聚焦性能。近年來，多陣元超聲陣列換能器的研制有很大進(jìn)展。2017年，Li等[15]構(gòu)建了一個(gè)環(huán)形陣列超聲換能器，其陣元寬度為1.2 mm，陣元間距為1.3 mm，在中心頻率為10 MHz，聚焦深度為50 mm時(shí)截面聲壓等高線的聲束寬度為5.82 mm，具有較好的深部聚焦性。但制作環(huán)形超聲換能器的工藝復(fù)雜，需要打造同心圓環(huán)式壓電晶體，以保證環(huán)形相控陣的波束不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)[16-18]。2019年Yang等[19]設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)可擴(kuò)展的2D平面陣列，由48個(gè)256(共12 256個(gè)陣元)單元的正方形模塊換能器構(gòu)成，具有高聚焦性特點(diǎn)，可顯著降低熱效應(yīng)及空化效應(yīng)對(duì)聚焦點(diǎn)周邊神經(jīng)的影響。但其功率大，且時(shí)序控制復(fù)雜，造價(jià)高。

本研究擬設(shè)計(jì)小型的適宜TMAS技術(shù)的線性64陣元相控陣超聲換能器。首先，建立適配腦深部磁聲耦合刺激的0.5 MHz中心頻率[20-21]的超聲換能器模型，通過改變超聲換能器陣元的寬度與間距[22]對(duì)超聲換能器進(jìn)行仿真，優(yōu)化超聲換能器的性能，選擇最優(yōu)參數(shù)定制超聲換能器，激勵(lì)該換能器發(fā)射超聲，進(jìn)行聲場測試，獲得可反應(yīng)其聚焦性的聲場分布。實(shí)驗(yàn)證明，該換能器性能在深部腦組織靶區(qū)刺激聚焦焦斑橫向直徑小于3 mm。

2 方法

2.1 聲換能器性能仿真

超聲相控陣換能器的設(shè)計(jì)[23]基于惠更斯原理，本研究以6陣元模型說明聚焦原理。圖1中，A1,B1,C1,D1,E1,F1分別代表6個(gè)陣元的中心點(diǎn)，O為目標(biāo)聚焦中心點(diǎn)，OG1為聚焦中心到換能器陣列的最短距離，在該模型中，多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束(波陣面)的形狀和方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦[24～25]。

圖1 模擬6陣元相控陣聲換能器坐標(biāo)系

由于A1,B1,C1,D1,E1,F1到O點(diǎn)距離各不相同，若進(jìn)行相控陣聲換能器聚焦，需進(jìn)行延時(shí)計(jì)算，以保證精準(zhǔn)定位到O點(diǎn)。

由勾股定理可得各陣元到聚焦中心距離：

(1)

單一陣元相控陣聲換能器到焦點(diǎn)延時(shí)差為：

(2)

其中，t為計(jì)算得延時(shí)差，v為聲速。

由此可得，模擬多陣元所有時(shí)序延時(shí)差，分別為tA1，tB1，tC1，tD1，tE1，tF1。

將6陣元超聲換能器擴(kuò)展為8×8面陣相控陣超聲換能器的仿真時(shí)，將式(1)和式(2)擴(kuò)展得到適用于面陣的延時(shí)計(jì)算公式，其每個(gè)陣元指向聚焦目的區(qū)域均對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，二維聲場仿真(即聚焦中心截面仿真)將換能器表面劃分為 1 000×1×1 000平面網(wǎng)格，根據(jù)Tupholme 和Stepanishen 提出的空間脈沖響應(yīng)方法逐點(diǎn)計(jì)算超聲波的聲場，計(jì)算后進(jìn)行疊加，時(shí)序計(jì)算公式如下：

(3)

其中xf，yf，zf為超聲換能器設(shè)計(jì)聚焦焦點(diǎn)位置，xc，yc，zc是換能器整體的中心參考位置，xi，yi，zi是第i個(gè)陣元的中心位置，64陣元換能器即1≤i≤64，c是聲速。

使用Matlab依照公式(3)進(jìn)行仿真模擬，設(shè)置壓電晶體種類為PZT-4，50 mm深度作為聚焦平面，通過改變陣元間距和陣元寬度，選擇一具有最佳聚焦效果的64陣元面陣相控陣超聲換能器參數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)分為兩組：一組通過設(shè)置面陣換能器中陣元寬度探究其對(duì)腦深部(50 mm)聚焦性能(聚焦焦斑直徑)的影響。另一組通過實(shí)驗(yàn)1選擇的最佳陣元寬度，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)挑選最適合該陣元寬度的陣元間距，最終得到陣元寬度與間距參數(shù)結(jié)果。兩組實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選擇見表1[18]。

表1 對(duì)照實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

2.2 換能器聲場測試裝置

本研究設(shè)計(jì)的一種聲場測試裝置用于檢測換能器實(shí)際聚焦效果，見圖2。使用Vantage系統(tǒng)控制64陣元換能器各陣元的發(fā)射與接收，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(AZD-KD，ORIENTAL MOTOR, 日本)進(jìn)行通信控制水聽器平臺(tái)進(jìn)行XYZ方向三維運(yùn)動(dòng)，主機(jī)選用MCU主機(jī)(STM32F407)，實(shí)驗(yàn)中使用該芯片作為主機(jī)控制Vantage系統(tǒng)進(jìn)行換能器信號(hào)收發(fā)操作，同時(shí)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)膜式水聽器檢測超聲換能器的發(fā)射聲場，由采集卡(8861-50，HIOKI, 日本)逐點(diǎn)采集聲場分布數(shù)據(jù)，并用示波器(DPO 5034B, Tektronix, 美國)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。使用MATLAB對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行聲場分布圖像還原處理，可得到換能器實(shí)際聚焦聲場分布。裝置結(jié)構(gòu)及控制流程圖見圖2、 圖3。

圖2 聲場測試裝置示意圖

圖3 聲場測試流程圖

3 結(jié)果及分析

3.1 聲場仿真

不同陣元寬度及陣元間距超聲換能器聚焦仿真結(jié)果，見圖4。圖4(a)和圖4(b)分別顯示了陣元間距為0.4 mm，陣元寬度為5 mm時(shí)和陣元寬度值為7 mm時(shí)的換能器聚焦XY軸截面圖。由圖可見，陣元寬度為7 mm時(shí)，旁瓣干擾相較5 mm寬度時(shí)更為明顯，圖4(c)和圖4(d)分別顯示了陣元寬度為4.5 mm，陣元間距為0.1 mm和0.8 mm時(shí)的超聲換能器聚焦XY軸截面圖，圖中可見陣元間距為0.1 mm和0.8 mm時(shí)，旁瓣效應(yīng)干擾均不明顯，陣元間距為0.8 mm時(shí)，聚焦點(diǎn)出現(xiàn)偏移，實(shí)際聚焦位置，即圖4(d)中聲強(qiáng)最大值在60 mm處，與設(shè)置值50 mm的聚焦位置不符。

圖4 不同陣元寬度及陣元間距超聲換能器聚焦仿真對(duì)比

相同陣元間距(0.4 mm)、不同陣元寬度的超聲換能器聚焦焦斑直徑大小與陣元寬度關(guān)系，見圖 5。焦斑直徑大小取值方法為：取聲場分布聲強(qiáng)數(shù)值矩陣中最大值衰減6 dB以上作為焦斑取值，得到焦斑區(qū)域，計(jì)算其長度。由圖可知，陣元寬度在4～5 mm時(shí)，換能器具有最小的焦斑直徑(3 mm)，即最佳的聚焦性能。

圖5 聚焦焦斑直徑與陣元寬度關(guān)系圖

在相同陣元寬度、不同陣元間距的條件下超聲換能器聚焦焦斑直徑與陣元寬度關(guān)系，見圖 6。由圖可知，陣元寬度為4.5 mm，陣元間距在0.1～0.8 mm時(shí)，焦斑直徑差距為0.2 mm，差值較小。

圖6 聚焦焦斑直徑與陣元間距關(guān)系圖

3.2 聲場測試

參考仿真獲得的優(yōu)化參數(shù)，本研究制作了線性64陣元相控陣超聲換能器。采用圖2的聲場測試裝置測試64陣元換能器的聲場特性，每次移動(dòng)步長為0.4 mm，共移動(dòng)35次，同時(shí)激活采集卡及示波器進(jìn)行采集與存儲(chǔ)功能，一個(gè)平面共采集35×35=1 225 組數(shù)據(jù)，單個(gè)截面的掃描面積為14×14=156cm2。用Matlab處理采集到的數(shù)據(jù)，得到實(shí)測聲場的聚焦分布圖。

64陣元面陣相控陣超聲換能器的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果，見圖7。圖7(a)和圖7(b)分別顯示了64陣元超聲換能器仿真聲場分布圖與實(shí)測聲場測試結(jié)果圖。圖中可見該超聲換能器仿真與實(shí)測結(jié)果XZ方向上焦斑形狀一致，但Y方向上存在誤差，實(shí)際聚焦效果與仿真有些許差異。

為進(jìn)一步比較實(shí)測與仿真的差異，將圖7仿真及實(shí)測結(jié)果截取深度50 mm(即Y=50 mm)二維分布可得到圖8，圖8(a)和圖8(b)分別顯示了XZ平面的聲場分布圖與實(shí)測聲場分布圖。取聲場分布聚焦聲強(qiáng)最大值衰減6dB作為有效聚焦值，由圖8(a)求出仿真聚焦焦斑直徑為3.1 mm。同理，由圖8b)求得實(shí)測聚焦焦斑直徑為1.2×10-3÷3×8.5=3.4 mm，略大于仿真結(jié)果，表明該64陣元面陣相控陣超聲換能器在聚焦深度為50 mm時(shí)的XZ截面具有3.4 mm焦斑直徑的聚焦特性，與仿真結(jié)果基本相符。

圖9(a)和圖9(b)分別顯示了Z=0的XY平面仿真聲場分布與實(shí)測聲場分布圖，將仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在XY軸區(qū)域(x∈[-6.4,6.4],y∈[5,6.28], 單位:mm)內(nèi)進(jìn)行比較。圖9(a)仿真結(jié)果顯示：在y=62.8 mm平面與y=50 mm平面的聚焦峰值聲強(qiáng)相比，聚焦聲場強(qiáng)度衰減3.34 dB，即距離焦點(diǎn)12.8 mm處聲場強(qiáng)度衰減了36%。由圖9(b)顯示了聲場的實(shí)測數(shù)據(jù)，在y=62.8 mm平面與y=50 mm平面的聚焦峰值聲強(qiáng)相比，聚焦聲場強(qiáng)度衰減3.87 dB，即距離焦點(diǎn)12.8 mm處聲場強(qiáng)度衰減了32%，該結(jié)果表明64陣元面陣相控陣超聲換能器在聚焦深度為50 mm時(shí)的XY截面的聲場分布與仿真結(jié)果同樣相符。

圖8 面陣相控陣換能器在XZ軸(y=50mm)截面聲場分布圖

圖9 面陣相控陣換能器在XY軸(z=0 mm)截面聲場分布圖

4 總結(jié)及討論

本研究通過對(duì)64陣元面陣超聲換能器設(shè)置不同的陣元寬度和間距進(jìn)行仿真，選擇在模擬腦深部距離50 mm超聲換能器聚焦性能進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，綜合考慮聲場聚焦焦斑大小與旁瓣干擾情況、以及陣元尺寸變化的影響，選定寬度4.5 mm、間距0.1 mm的陣元參數(shù)制作了64陣元面陣相控陣換能器，并對(duì)換能器聚焦性能進(jìn)行了實(shí)測，由圖8可知，該64陣元面陣相控陣超聲換能器在在50 mm深度處XZ軸平面與XY軸平面的實(shí)際聚焦效果與仿真結(jié)果基本一致。

研究表明當(dāng)陣元數(shù)大于16時(shí)，可以減小旁瓣影響。因此，很多研究者從改變超聲換能器陣元的排列方法和陣元的數(shù)量的角度出發(fā)，提高超聲換能器的聚焦效果，如利用12 256個(gè)陣元的正方形模塊換能器，從增加陣元數(shù)量的角度提高換能器聚焦性。本研究通過改變換能器的陣元寬度和陣元間距尺寸對(duì)8×8面陣超聲相控陣換能器進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示，本研究設(shè)計(jì)的8×8面陣相控陣換能器在深部(50 mm)區(qū)域的聚焦焦斑直徑仿真值為3.1 mm，實(shí)測值為3.4 mm，可初步用于40～80 mm腦深部刺激靶區(qū)進(jìn)行TMAS刺激。