本文選題：超聲換能器 + 環(huán)型相控陣��； 參考：《深圳大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)于神經(jīng)和精神方面的疾病治療,有著巨大的潛力,并且也能有助于科學(xué)的研究人類腦神經(jīng)在感覺、運(yùn)動(dòng)及認(rèn)知方面的潛在機(jī)制。腦刺激技術(shù)在腦的研究和治療方面已經(jīng)成為一種非常重要的方法,目前所有常用的腦刺激方法都有著自身的缺陷或者局限性。比如,經(jīng)顱電流刺激(Transcranial Direct Current Stimulation,tDCS和經(jīng)顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)盡管是無創(chuàng)的,但二者空間分辨率較差(~1 cm),另外深部腦刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)有著很高的空間分辨率,但需要外科手術(shù)植入電極。近幾年出現(xiàn)一種經(jīng)顱聚焦超聲刺激(Transcranial Focused Ultrasound Stimulation,tFUS)技術(shù),它作為一種新型的腦刺激方式在確保無創(chuàng)刺激的同時(shí),仍具有較高的空間分辨率,可以對更深的腦組織進(jìn)行刺激,且整個(gè)過程無需外科手術(shù),吸引了越來越多的專家學(xué)者的關(guān)注。在進(jìn)行經(jīng)顱神經(jīng)刺激時(shí),顱骨的存在使得無法進(jìn)行定量的超聲刺激,為了更加安全有效的將超聲能量傳送至目標(biāo)區(qū)域,測試評估顱骨的聲透射率是非常有必要的,這是設(shè)計(jì)經(jīng)顱類設(shè)備系統(tǒng)最基本,也是最重要的環(huán)節(jié),對于醫(yī)療應(yīng)用來說不希望存在不確定的聲透射率。此外,傳統(tǒng)的單陣元換能器空間分辨率不夠高,無法更進(jìn)一步的針對特定的、更深的區(qū)域進(jìn)行超聲刺激,有時(shí)需要借助聲準(zhǔn)直器來約束聲束的大小。綜合各方面的因素,本文采用耐熱性較好的PZT-4壓電陶瓷為壓電材料,研制了一個(gè)中心頻率為0.5 MHz,外徑為30 mm,用于經(jīng)顱神經(jīng)刺激的5陣元環(huán)型相控超聲換能器,并采用該換能器進(jìn)行顱骨的聲透射率測試。環(huán)型相控陣通過給每個(gè)陣元施加不同的電子延時(shí)以達(dá)到動(dòng)態(tài)聚焦的目的,這種方式焦點(diǎn)可控,不固定,利于對不同深度的腦組織進(jìn)行刺激,同時(shí)提高了換能器的空間分辨率。本文系統(tǒng)的測試了換能器的電學(xué)參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)以及聚焦聲場,測試的結(jié)果表明超聲換能器的5個(gè)陣元有較好的一致性,機(jī)電偶合系數(shù)kt在0.40以上,換能器中心頻率為0.5 MHz,-6 dB帶寬范圍為0.38 MHz-0.60 MHz。通過聲強(qiáng)測試系統(tǒng)(Acoustic Intensity Measurement System,AIMS)測試得到聲束焦點(diǎn)直徑可以達(dá)到2 mm。同樣采用AIMS測試了人體顱骨在不同實(shí)驗(yàn)條件下的聲透射率,改變超聲波頻率、顱骨的厚度,通過擬合比較得出聲透射率的實(shí)際測試值與計(jì)算得到的理論值較為一致,但實(shí)際值比理論值略小。得到了聲透射率隨超聲頻率改變而變化的規(guī)律,并驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的換能器符合經(jīng)顱超聲神經(jīng)刺激的需求。
[Abstract]:The regulation of neuronal activity in the treatment of neurological and mental diseases has great potential and is also helpful to the scientific study of the potential mechanisms of the human brain nerve in sensory, motor and cognitive aspects. Brain stimulation technology has become a very important method in the research and treatment of brain. At present, all the commonly used brain stimulation methods have their own defects or limitations. For example, transcranial current DCS and transcranial magnetic stimulation are noninvasive, but their spatial resolution is less than 1 cm. In addition, deep brain stimulation Deep brain stimulation has high spatial resolution, but surgical electrode implantation is needed. In recent years, there has been a transcranial focused ultrasound (TFU) technique for transcranial focused ultrasound stimulation. As a new type of brain stimulation, it still has higher spatial resolution and can stimulate deeper brain tissues while ensuring non-invasive stimulation. And the whole process does not require surgery, attracting more and more attention of experts and scholars. During transcranial nerve stimulation, the presence of skull makes it impossible to carry out quantitative ultrasound stimulation. In order to transfer ultrasonic energy more safely and effectively to the target area, it is necessary to test and evaluate the acoustic transmittance of skull. This is the most basic and important step in the design of transcranial equipment systems, and it is not desirable for medical applications to have uncertain acoustic transmittance. In addition, the spatial resolution of the traditional single array transducer is not high enough to further the ultrasonic stimulation for specific and deeper regions. Sometimes, the size of the sound beam is constrained by the acoustic collimator. In this paper, the PZT-4 piezoelectric ceramic with good heat resistance was used as piezoelectric material to synthesize various factors. A 5-array ring phase controlled ultrasonic transducer with a central frequency of 0.5 MHz and an external diameter of 30 mm was developed for transcranial nerve stimulation. The transducers were used to measure the acoustic transmittance of the skull. The ring phased array achieves the purpose of dynamic focusing by applying different electronic delay to each element. This way the focus is controllable and not fixed, which is conducive to the stimulation of brain tissue at different depths and improves the spatial resolution of the transducer. In this paper, the electrical parameters, acoustic parameters and focused sound field of the transducer are systematically measured. The test results show that the five elements of the ultrasonic transducer are in good agreement, and the electromechanical coupling coefficient kt is above 0.40. The center frequency of the transducer is 0.5 MHz / 6 dB bandwidth range is 0.38 MHz ~ 0.60 MHz. The sound beam focus diameter can reach 2 mm by acoustic intensity measurement system measurement AIMS. At the same time, the acoustic transmittance of human skull under different experimental conditions was measured by aims, the ultrasonic frequency and the thickness of skull were changed, and the actual measured value of acoustic transmittance was in agreement with the calculated theoretical value by fitting and comparing. But the actual value is slightly smaller than the theoretical value. The change of acoustic transmittance with ultrasonic frequency is obtained, and it is verified that the transducer designed in this paper accords with the requirement of transcranial ultrasound nerve stimulation.
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R318.6;TB552

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本文編號：2007463