一种用于经颅超声神经调控定位笼的制造方法及系统

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及了一种用于经颅超声神经调控定位笼的制造方法及系统。

背景技术：

1、经颅超声神经调控是一种利用低强度聚焦超声或脉冲超声作用于颅内神经结构，从而调节神经元兴奋性、神经环路活动或脑功能状态的非侵入式脑调控技术。与经颅磁刺激和经颅电刺激相比，超声具有更好的空间聚焦能力和潜在的深部脑区调控能力。

2、现有经颅超声调控系统通常采用以下几种定位方式。第一种方式是采用机械臂、光学导航系统或神经导航系统，将一个单元聚焦换能器或少量换能器定位至患者头部特定位置，并通过医学影像注册实现靶点指向。该方式定位精度较高，但系统复杂、成本高、操作时间长，对操作者依赖强，不利于多次重复治疗和大规模临床推广。

3、第二种方式是采用多阵元相控阵换能器头盔，通过大量独立控制通道对声束进行电子相位延迟和聚焦控制。该方式可以实现较灵活的声束控制，但硬件成本高，通道数量多，驱动和校准复杂，且整体系统体积、维护和可靠性要求较高。

4、第三种方式是采用普通头带、固定支架或手动定位装置，将换能器压贴于头皮表面。该方式成本较低，但定位重复性差，换能器入射角度和耦合状态难以稳定控制，难以满足深部靶点或多次治疗的一致性要求。

5、此外，颅骨会对超声传播产生衰减、折射、反射和相位畸变。不同患者的头型、颅骨厚度、颅骨密度、颅骨曲率以及靶点空间位置均存在明显个体差异。因此，即使使用相同的换能器和相同的外部定位方式，声束在不同患者颅内形成的实际焦点也可能存在偏移或能量分布差异。

6、现有技术中仍存在如下问题：

7、1、现有方案已存在个体化头架、超声头盔、声学透镜或患者专用支架等方案，但多数方案主要解决“位置固定”问题，未充分利用三维打印结构本身对换能器的空间位置、指向角度、插入深度、声程延迟和模块匹配关系进行综合编码。

8、2、对于低成本、多次治疗和标准化生产的经颅超声神经调控设备而言，仍缺少一种成本较低的可重复性方案，同时能够将影像规划结果转化为物理结构约束的模块化解决方案。

9、因此，有必要提出一种新的个体化经颅超声定位装置，在不依赖复杂机械臂或全阵列头盔的情况下，实现较高重复性和较高精度的经颅超声神经调控。

技术实现思路

1、针对现有技术的问题，本发明提供一种用于经颅超声神经调控定位笼的制造方法及系统。

2、一种用于经颅超声神经调控定位笼的制造方法，包括以下步骤：

3、步骤一、获取患者影像数据、候选孔位和候选入射路径；

4、步骤二、根据候选孔位处预安装的换能器，计算换能器插槽的深度补偿量；

5、所述换能器插槽的深度补偿量计算方法包括：

6、（1）超声在耦合液中的波长λ计算：

7、λ = c / f

8、其中，λ为波长，c为耦合液声速，f为超声中心频率；

9、（2）当第i个换能器出射面相对于参考位置产生深度差δd时，所述换能器在耦合液中引入的相位差可表示为：

10、δφ = (2πf·δd) / c

11、其中，δφ为相位差，f为频率，δd为深度差，c为耦合液声速；可通过改变换能器在插槽中的插入深度，实现机械方式的相位或声程预补偿；

12、（3）对于第i个换能器，所述换能器从出射面到目标区域的等效传播相位可表示为：

13、δφ_i = k_w·l_w,i + k_s·l_s,i + φ_m,i + φ_e,i

14、其中，k_w和k_s分别为耦合液和颅骨等效波数，l_w,i和l_s,i分别为耦合液和颅骨等效路径长度，φ_m,i为模块本身相位响应，φ_e,i为电子驱动相位补偿，φ_m,i和φ_e,i为预设参数；

15、（4）换能器插槽的深度补偿量计算公式如下：

16、δd_i = (c·δφ_i) / (2πf)

17、其中，δd_i为第i个换能器插槽的深度补偿量；实际设计中可对δφ_i进行2π模周期处理，使深度变化处于预设的可制造范围内；

18、鉴于相位具有2π周期，系统选择等效相位补偿深度；所述相位差通过δd_i、δd_i+ nλ或δd_i－nλ中的任意一种方式实现，其中n为整数；

19、步骤三、根据患者头型、孔位参数、换能器插槽深度、换能器插槽角度、水囊空间和固定结构生成三维定位笼模型；所述患者头型根据所述患者影像数据得到；所述孔位参数根据所述候选孔位得到；所述换能器插槽深度根据孔位参数和换能器插槽的深度补偿量得到；所述换能器插槽角度根据候选入射路径得到；所述固定结构用于固定换能器；水囊空间设置在换能器与头皮之间并用于放置水囊；

20、步骤四、根据所述三维定位笼模型制作定位笼。

21、优选的，所述患者影像数据包括：mri数据和ct数据；其中mri数据用于确定脑区靶点、脑结构和软组织边界，ct数据用于确定患者头型、颅骨厚度、颅骨密度、颅骨曲率和声学传播参数。

22、优选的，所述候选孔位用于安装换能器；换能器插槽包括以下组件至少一种：导向面、角度约束面、深度限位面、锁止结构、防错键槽、声学窗口、液体密封圈、模块识别结构、可拆卸深度垫片、可更换声学延迟柱和可调微距机构。

23、优选的，孔位参数包括：每个候选孔位计算到目标点的距离、入射角、颅骨穿越厚度、颅骨密度、声衰减、相位畸变、协同聚焦效果、模块可安装性和安全边界。

24、优选的，换能器插槽至少包括以下一项组件用来控制换能器插入深度：止挡面、台阶深度、垫片厚度、声学延迟腔或模块锁止位置；

25、所述止挡面为，在换能器插槽内插入的一个挡片使换能器停止在需要的深度；

26、所述台阶深度为，在换能器插槽内设置不同深度的台阶使换能器停止在不同的插入深度；

27、所述垫片厚度为，在换能器插槽底部至换能器前方垫入一个或多个垫片，使换能器停止在需要的深度；

28、所述声学延迟腔被配置为，在换能器插槽中预先设置不同长度的液体通道或在定位笼与水囊之间设置不同厚度的声学匹配材料；

29、所述模块锁止位置被配置为，在换能器插槽中设置螺旋微调结构，通过螺旋微调结构微调插入深度。

30、优选的，不同候选孔位至少包括以下一项组件：机械键槽、卡扣、颜色标识、编号、二维码、rfid或电子触点；在换能器插入候选孔位时，若任一组件信号不匹配，则发送告警信号；所述换能器在制造时已录入相应信息。

31、优选的，可通过注入液体体积估算、压力-体积曲线估算、超声回波测距、外部结构光扫描或定位笼与头皮之间的机械限位控制来校准水囊厚度。

32、一种用于经颅超声神经调控定位笼的制造系统，用于实现所述一种用于经颅超声神经调控定位笼的制造方法，包括以下模块：

33、采集模块，被配置为，获取患者影像数据、候选孔位和候选入射路径；

34、计算模块，被配置为，根据候选孔位处预安装的换能器，计算换能器插槽的深度补偿量；

35、所述换能器插槽的深度补偿量计算方法包括：

36、（1）超声在耦合液中的波长λ计算：

37、λ = c / f

38、其中，λ为波长，c为耦合液声速，f为超声中心频率；

39、（2）当第i个换能器出射面相对于参考位置产生深度差δd时，所述换能器在耦合液中引入的相位差可表示为：

40、δφ = (2πf·δd) / c

41、其中，δφ为相位差，f为频率，δd为深度差，c为耦合液声速；可通过改变换能器在插槽中的插入深度，实现机械方式的相位或声程预补偿；

42、（3）对于第i个换能器，所述换能器从出射面到目标区域的等效传播相位可表示为：

43、δφ_i = k_w·l_w,i + k_s·l_s,i + φ_m,i + φ_e,i

44、其中，k_w和k_s分别为耦合液和颅骨等效波数，l_w,i和l_s,i分别为耦合液和颅骨等效路径长度，φ_m,i为模块本身相位响应，φ_e,i为电子驱动相位补偿，φ_m,i和φ_e,i为预设参数；

45、（4）换能器插槽的深度补偿量计算公式如下：

46、δd_i = (c·δφ_i) / (2πf)

47、其中，δd_i为第i个换能器插槽的深度补偿量；实际设计中可对δφ_i进行2π模周期处理，使深度变化处于预设的可制造范围内；

48、鉴于相位具有2π周期，系统选择等效相位补偿深度；所述相位差通过δd_i、δd_i+ nλ或δd_i－nλ中的任意一种方式实现，其中n为整数；

49、生成模块，被配置为，根据患者头型、孔位参数、换能器插槽深度、换能器插槽角度、水囊空间和固定结构生成三维定位笼模型；所述患者头型根据所述患者影像数据得到；所述孔位参数根据所述候选孔位得到；所述换能器插槽深度根据孔位参数和换能器插槽的深度补偿量得到；所述换能器插槽角度根据候选入射路径得到；所述固定结构用于固定换能器；水囊空间设置在换能器与头皮之间并用于放置水囊；

50、制作模块，被配置为，根据所述三维定位笼模型制作定位笼。

51、一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有用于所述制造方法的计算机程序。

52、一种经颅超声神经调控定位笼，其特征在于，所述定位笼上设置有用于安装换能器的换能器插槽，所述定位笼是根据所述用于经颅超声神经调控定位笼的制造方法得到的。

53、本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

54、1、将医学影像规划结果转化为三维打印结构，使定位笼本身成为治疗计划的物理载体，设计定位笼上的预留孔位，通过不同孔位的插入深度、声学延迟结构或垫片厚度，对不同换能器模块之间的声程差进行机械预补偿，对多因素综合编码，有效降低对复杂电子相控阵系统的依赖，有效地将三维打印结构和换能器结合。

55、2、将三维打印结构运用到经颅超声神经调控，采用标准化预制换能器模块与个体化定位笼结合，兼顾个体化适配和工业化生产，有效降低了成本，提高了设备的可重复使用性。

56、显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

57、以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。