用于動物實驗的陣列式超聲腦刺激器

曹偉，倉臣，張浩強(qiáng)，鄭政

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093

前言

超聲腦刺激因其獨特的優(yōu)點受到了廣泛的重視，眾多實驗室相繼開展相關(guān)研究，期望進(jìn)一步揭示其作用機(jī)理［1‐2］，闡明其神經(jīng)調(diào)制的規(guī)律［3‐5］，從而推動其臨床應(yīng)用。和醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化研究相同的是，這一過程也必須首先進(jìn)行動物實驗。但由于實驗動物的顱骨和腦結(jié)構(gòu)通常和人類具有非常大的差別，因此需要專門設(shè)計的超聲刺激設(shè)備以滿足動物實驗之需［6‐8］。

目前幾乎所有的動物實驗均使用單晶片聚焦換能器，這種換能器有兩個明顯的缺點：（1）無法校正顱骨對聲場造成的畸變，增加對實驗結(jié)果進(jìn)行分析的困難；（2）無法對焦點位置進(jìn)行電控，實驗中變換刺激部位只能依靠機(jī)械調(diào)節(jié)，不僅費時，而且容易引起超聲耦合劑脫離，導(dǎo)致實驗失敗［9‐13］。

本研究針對上述問題設(shè)計了一種基于陣列式換能器的刺激器，其換能器由16個陣元組成，每個陣元都由單獨的脈沖源驅(qū)動。根據(jù)相位補(bǔ)償原理［14］，調(diào)整脈沖源之間的延時不僅可以校正聲場畸變帶來的散焦問題，而且可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)焦點位置的電控［15‐19］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 換能器陣列

為兼顧顱骨穿透能力和聚焦能力，本研究選取500 kHz 的超聲頻率。探頭尺寸、陣元個數(shù)和陣元大小是另一個需要考慮的問題。通常陣元數(shù)越大，合成聲場越理想，但是探頭尺寸必須和動物顱骨的尺寸相配合，而用于超聲腦刺激研究的動物以大鼠為多，顱骨尺寸有限（成年大鼠顱骨約為49 mm×22 mm），所以不宜安排太多陣元；陣元過多也會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性上升，成本增加。綜合考慮以上因素，本研究的探頭由16 個4 mm×4 mm 矩形陣元構(gòu)成，陣元分布在直徑30 mm 的圓形探頭的球殼狀表面，曲率半徑為22 mm，每個陣元面均和球殼面相切（圖1），每個陣元對稱分布，并對其編號。這樣的探頭每個陣元發(fā)出的超聲向空間一點匯聚，該點就是球殼的球心O，也是探頭的自然焦點。通過控制各陣元驅(qū)動的延時，不僅能校正各種原因引起的聲場畸變，而且能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)焦點的空間掃描。

圖1 陣列換能器示意圖Fig.1 Array transducer diagram

陣元由厚度為3.6 mm 的PZT‐4 型壓電陶瓷切割而成，匹配層采用Epotek 301 樹脂和氧化鋁的混合物，兩者體積比為1：3，厚度1.35 mm［20］。換能器采用空氣背襯。整個探頭外殼用樹脂以3D 打印工藝制成。每個陣元都用0.6 m 長的50 Ω 同軸電纜連接到阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，探頭整體水密。

1.2 超聲發(fā)生器設(shè)計

超聲發(fā)生器由16個獨立單元組成，每個單元都可以發(fā)生相同的超聲波形并驅(qū)動陣列中的一個陣元。各通道波形的起始時間可以獨立設(shè)置，換能器的聚焦校正以及焦點操縱均通過延時控制得以實現(xiàn)。16路脈沖發(fā)生器、延時控制器以及16路輸出MOS管控制電路均集成在同一片F(xiàn)PGA，所需參數(shù)在一個基于Labview的人機(jī)界面中輸入，然后通過RS232串口由計算機(jī)傳入FPGA。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram

陣列換能器的16 個陣元各自發(fā)出超聲波，這些子波在空間相干疊加，形成一個刺激焦點。超聲刺激波形如圖3所示，由5個時間參數(shù)確定，超聲頻率Ft（100 kHz～2 MHz），脈沖時長PD（0.001～10.000 ms），脈沖重復(fù)頻率PRF（10～2 000 Hz），聲波持續(xù)時間SD（0.05～10.00 s），脈沖刺激間隔Interval（0.5～10.0 s）。參數(shù)可根據(jù)需要在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整。由于通道間可能的延時，所以還需要為每一通道提供各自的延時參數(shù)，共有16個，范圍為20～5 100 ns。

圖3 刺激波形Fig.3 Stimulus waveform

1.2.1 延時控制延時控制主要由一個31 位的計數(shù)器構(gòu)成，當(dāng)超聲輸出指令trigger 到達(dá)時，該計數(shù)器開始以50 MHz 時鐘頻率計數(shù)，計數(shù)器cnt 輸出的數(shù)值與16個存儲在鎖存器中的延時參數(shù)相比較，當(dāng)i通道的延時參數(shù)和計數(shù)值相等時，輸出ti由低電平變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)該路脈沖發(fā)生器工作。同理i+1 通道輸出ti+1，最終實現(xiàn)t1～t16信號控制脈沖輸出（圖4）。其中，計數(shù)器的位寬是根據(jù)延時設(shè)置范圍來確定的。

圖4 原理框圖Fig.4 Principle block diagram

1.2.2 脈沖發(fā)生每一通道的刺激波形均由5 個計數(shù)器構(gòu)成的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。系統(tǒng)啟動后，計數(shù)器cnt_ft、cnt_pd、cnt_prf、cnt_sd、cnt_interval對系統(tǒng)時鐘循環(huán)計數(shù)，對其計數(shù)值和存儲器中的脈沖參數(shù)進(jìn)行比較，最終獲得要求的脈沖波形。上述5個計數(shù)器分別控制超聲頻率Ft、脈沖寬度PD、脈沖重復(fù)頻率PRF、脈沖持續(xù)時間SD 以及脈沖間隔Interval。系統(tǒng)時鐘頻率clk為50 MHz，周期為20 ns。

1.2.3 功放與阻抗匹配電路功放電路負(fù)責(zé)把FPGA輸出的超聲波形放大到足以推動換能器陣元，阻抗匹配電路則負(fù)責(zé)將陣元阻抗轉(zhuǎn)換成適合于功放的阻抗，本系統(tǒng)所用的功放和匹配電路已在之前的文章中詳細(xì)介紹，此處不再贅述［21］。其中需要指出的是，功放控制時序中的占空比ratio=2τ/TT（其中，τ為功率MOSFET 導(dǎo)通時間，TT為超聲周期）決定了輸出功率，通過調(diào)整該參數(shù)可以控制超聲強(qiáng)度。

2 延時參數(shù)測試

系統(tǒng)完成后需要對換能器陣列進(jìn)行延時參數(shù)測試，所得結(jié)果用于焦點校正和電控操縱。測試系統(tǒng)如圖5所示，主要由水槽、三維調(diào)節(jié)臺、水聽器、示波器這幾部分構(gòu)成。水聽器為ONDA HNR‐0500 型，響應(yīng)頻率為250 kHz～20 MHz；示波器為Agilent MSO6054A 型。測試時系統(tǒng)電源電壓為±30 V。以自然焦點O為原點，建立Oxyz坐標(biāo)系。

圖5 實驗測試臺Fig.5 Experimental test bench

設(shè)置刺激器為單通道工作模式，也就是說任何時間只有一個陣元被激勵，16個陣元輪流激勵，測量聲波到達(dá)自然焦點所需的傳輸時間和聲波到達(dá)焦點偏移位置的傳輸時間。刺激參數(shù)為Ft=500 kHz、PD=0.001 ms、PRF=1 000 Hz、SD=1 s、Interval=2 s，ratio1～16為96%。

水聽器敏感面分別置于換能器自然焦點O，以及（x=±2,y=0,z=0）、（x=0,y=±2,z=0）處（單位mm），測量各陣元發(fā)射的聲波傳輸時間，結(jié)果如表1～2所示。

表1 自然焦點校正所對應(yīng)的傳輸時間及相對延時值Tab.1 Transmission time and relative delay value corresponding to natural focus correction

從表1中可以看出陣列中3 號陣元的傳輸時間最長，以此為基準(zhǔn)，將該傳輸時間與表1中16 個陣元聲波傳輸時間分別做減法運算，便可以算出各陣元為校正散焦所需設(shè)置的相對延時值。

從表2中可以得到焦點偏移所對應(yīng)的傳輸時間，還是以傳輸時間最長陣元為基準(zhǔn)，將該傳輸時間分別與各陣元傳輸時間做減法運算，計算出各陣元所需設(shè)置的相對延時，從而操縱焦點移動，各個偏移位置所對應(yīng)的計算結(jié)果如表3。

表2 焦點偏移所對應(yīng)的傳輸時間（μs）Tab.2 Transmission time corresponding to focus offset(μs)

表3 焦點偏移所需相對延時（ns）Tab.3 Relative delay time required for focus offset(ns)

3 焦點校正和電控操縱

將測試所獲得的延時值輸入系統(tǒng)界面，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的延時參數(shù)，送入FPGA 中的延時控制模塊，即可校正換能器散焦或者操縱焦點實現(xiàn)焦點偏移。圖6分別表示焦點校正前后經(jīng)過自然焦點O的x、y、z軸方向聲壓分布曲線。經(jīng)過校正后，焦點處聲壓提高了23%，對聲壓測量數(shù)據(jù)點作線性插值得出‐6 dB 聲壓所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值，由此求出主瓣‐6 dB焦域尺寸在x、y、z軸方向所對應(yīng)的大小為dx=3 mm、dy=3 mm、dz=14 mm。離焦點10 mm 處存在的旁瓣聲壓都遠(yuǎn)低于主瓣6 dB以上。

圖6 x、y、z軸方向聲壓Fig.6 Sound pressures at x,y and z axes

焦點從O 點向左右和上下各偏移2 mm 所需的延時時間是根據(jù)表2計算所得，將這些延時值輸入控制界面后，測得的結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 焦點x軸方向偏移Fig.7 Focus x-axial offset

由圖7分析得出焦點由原點左偏2 mm 后，x=‐2處主瓣聲壓相對原點主瓣聲壓降低了10.4%，其偏移反方向的旁瓣會變大，旁瓣聲壓大于主瓣‐6 dB聲壓；焦點由原點右偏2 mm 后，x=+2處主瓣聲壓相對于原點主瓣聲壓降低了8.2%，其偏移反方向的旁瓣會變大，旁瓣聲壓大于主瓣‐6 dB聲壓。

由圖8分析得出焦點由原點下偏2 mm 后，y=‐2處主瓣聲壓相對原點主瓣聲壓降低了8%，其偏移反方向的旁瓣會變大，旁瓣聲壓大于主瓣‐6 dB聲壓；焦點由原點上偏2 mm 后，y=+2處主瓣聲壓相對于原點主瓣聲壓降低了12.9%，其偏移反方向的旁瓣會變大，旁瓣聲壓大于主瓣‐6 dB聲壓。

圖8 焦點y軸方向偏移Fig.8 Focus y-axial offset

4 討論與結(jié)論

經(jīng)過校正后自然焦點在x軸、y軸方向的‐6 dB 焦域尺寸均約3 mm，z軸方向長度為14 mm。焦點在x、y方向達(dá)到理想的指標(biāo)，但相位補(bǔ)償法不能校正焦點z軸方向尺寸，后期可以通過增大陣元孔徑的方法改善焦點z軸方向尺寸。校正前后聲場在x、y方向都存在旁瓣，位置均在離焦點約10 mm 處，其聲壓均比主瓣低6 dB 以上。焦點偏移2 mm 后，其偏移反方向一側(cè)的旁瓣會相應(yīng)加大，因此焦點偏移只能是在一定的范圍內(nèi)，超過一定的范圍后焦點附近的旁瓣就會加大，影響聚焦的效果。本研究設(shè)計并實現(xiàn)了一種應(yīng)用于小動物腦刺激研究的陣列式超聲腦刺激器。該刺激器用上位機(jī)PC 發(fā)送刺激參數(shù)到內(nèi)置的FPGA中，其輸出波形經(jīng)過功放電路和匹配電路后轉(zhuǎn)換成高壓正弦脈沖加載到陣列探頭上。測試結(jié)果表明該刺激器實現(xiàn)了焦點校正和焦點偏移，具有校正焦點和操縱焦點移動的功能，為腦刺激研究的動物實驗提供了有用的工具。