一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，包括：数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置
本专利技术涉及脑电源信号检测领域，尤其涉及一种基于经颅聚焦超声(transcranialFocusedUltrasound，tFUS)刺激的脑电源信号检测装置。
技术介绍
脑电图(Electroencephalogram，EEG)是一种广泛应用于探索人脑功能和功能障碍的电生理记录方法，其对于研究人脑的记忆、语言和情感等神经生理机制具有重要意义。根据频率可以将EEG信号分为delta节律(0.5-4Hz)、theta节律(4-7Hz)、alpha节律(8-13Hz)、beta节律(14-30Hz)和Gamma节律(30Hz以上)五类，其中大脑处于紧张活动时以beta节律为主，不清醒或睡眠时以delta和theta节律为主。虽然EEG具有非侵入性和时间分辨率高的优势，但大脑的容积导体效应导致其空间分辨率较低，相应的溯源结果也具有不适定性和非唯一性，所以难以精确定位诱发兴奋的神经元区，极大的阻碍了EEG相关研究的进展。近年来，tFUS凭借其无创性、穿透深度大、聚焦靶点多和空间分辨率高的优势日益成为研究热点。根据焦域的能量，tFUS可分为高强度聚焦超声和低强度聚焦超声，前者主要通过热效应消融病变组织，但存在周围正常组织热损伤风险；低强度聚焦超声可以以毫米级空间分辨率刺激大脑神经元活动，且不会产生任何损伤。因此，利用低强度tFUS有望从根本上解决EEG空间分辨率低的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，本专利技术设计了基于建模仿真指导的超声刺激范式，及信号降噪、带通滤波和源信号提取等解码策略，该装置可以无创的提取颅内感兴趣区域(RegionOfInterest，ROI)的脑电源信号，从根本上提升EEG信号的空间分辨率，推动EEG相关研究的进展，详见下文描述：一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，所述装置包括：数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，所述最优超声刺激序列包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号。其中，所述连续脉冲重复周期t2等于连续脉冲持续时间t1与脉冲重复间隔之和；所述超声刺激持续时间t3等于多组t2组合；所述超声刺激重复周期t4等于超声刺激持续时间t3与刺激重复间隔之和。进一步地，所述从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和低频ROI脑电源信号具体为：超声刺激后的脑电信号为：其中，ftFUS是超声频率，是vtFUS-eeg(t)的相位调制信号，env(t)是vtFUS-eeg(t)的幅值调制信号表示为：其中，Veeg为脑电源信号，feeg是脑电频率，τm是feeg的各初相角，M为ROI特征脑电频率个数，根据vtFUS-eeg(t)得到的解析信号为：幅值解码：相位解码：频率解码：其中，根据幅值、相位和频率解码结果，重构颅内低频ROI脑电源信号。其中，所述最优超声刺激序列的中心频率为1-2MHz，初始脉冲声压幅值为20-40kPa，设定连续脉冲持续时间t1＝0.1～0.5ms，连续脉冲重复周期t2＝1～5ms，超声刺激持续时间t3＝200ms，超声刺激重复周期t4＝5s，占空比为10％。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术设计的基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置结合了经颅聚焦超声的高空间分辨率优势和EEG信号的高时间分辨率优势，为无创高时空分辨率提取颅内ROI脑电源信号提供了一种途径；2、本专利技术基于被试的头部电子计算机断层扫描(ComputedTomography，CT)/磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)扫描数据，建立了超声经颅聚焦仿真模型，提出一组最优超声刺激序列，保证了超声刺激的安全性、准确性和有效性；3、本专利技术基于信号叠加平均、切比雪夫滤波等操作抑制噪声信号，并进一步提出了相应的ROI脑电源信号提取方法；4、本专利技术设计的源信号提取装置不仅可以应用于EEG相关的研究中，也可用于其他存在生理源电流的组织中。附图说明图1为基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置的结构示意图；图2为聚焦超声经颅刺激示意图；图3为解码策略示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例根据聚焦超声可无创透射颅骨并准确聚焦于颅内预设靶点的特性，结合tFUS的高空间分辨率和脑电图(Electroencephalogram,EEG)的高时间分辨率，设计了一种可无创高时空分辨率提取颅内脑电源信号的检测装置。其技术流程是：首先基于被试的头部CT/MRI扫描数据建立超声经颅聚焦仿真模型，通过对模型进行仿真确定换能器的最优超声刺激序列，然后对ROI进行超声刺激，同时采集被试EEG数据，最后进行预处理、带通滤波和源信号提取等解码操作。图1为本专利技术的装置模块示意图，主要由：数据建模仿真模块、超声刺激模块、脑电数据采集模块和解码模块等部分组成。一、数据建模仿真模块由于颅骨是一种非均质结构，且个体间差异较大，故在超声刺激前需要根据被试头部的MRI/CT扫描数据建立头部仿真模型。根据不同的ROI目标，选择枕骨、顶骨或颞骨等不同的入射声窗，进而建立包含头皮、多层颅骨、脑脊液和脑组织等结构在内的超声经颅聚焦仿真模型，仿真模型如图2(a)所示。基于Westervelt声波传播方程(式(1))和Pennes生物热传导方程(式(2))等方程计算超声波的传播路径及聚焦焦域，进而调控换能器的激励参数，使超声准确、安全聚焦于相应的ROI目标区域。通过分析焦域位置、面积和形状等参数保证超声刺激的准确性，通过分析焦域温度、声压、声强(空间峰值脉冲平均声强Isppa和空间峰值时间平均声强Ispta等)和机械指数(MechanicalIndex，MI)等参数保证超声经颅刺激的安全性。本专利技术基于建模仿真结果提出一组最优超声刺激序列，如图1所示，示例使用OlympusA392S超声换能器(开口直径46mm，焦距64.5mm，f-number＝1.4)，超声刺激序列中心频率为1-2MHz，初始脉冲声压幅值为20-40kPa，分别设定连续脉冲持续时间t1＝0.1～0.5ms，连续本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：/n数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，所述最优超声刺激序列包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；/n超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；/n脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；/n解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：
数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，所述最优超声刺激序列包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；
超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；
脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；
解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号。


2.根据权利要求1所述的一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，其特征在于，
所述连续脉冲重复周期t2等于连续脉冲持续时间t1与脉冲重复间隔之和；所述超声刺激持续时间t3等于多组t2组合；所述超声刺激重复周期t4等于超声刺激持续时间t3与刺激重复间隔之和。


3.根据权利要求1所述的一种基于经颅聚焦超声刺激...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，许敏鹏，肖晓琳，明东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12