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经颅聚焦超声调控系统的参数仿真研究

经颅聚焦超声调控系统的参数仿真研究

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作者：高鹏皓沈阳工业大学

学位级别：硕士

经颅聚焦超声（transcranial focused ultrasound,t FUS）是一种面向脑部疾病的超声调控方法,与经颅磁刺激和电刺激方法相比,具有更高的空间精度和调控深度,已成为非侵入性神经调控研究的热点。由于超声穿透颅骨发生的路径和强度的改变... 详细信息

经颅聚焦超声（transcranial focused ultrasound,t FUS）是一种面向脑部疾病的超声调控方法,与经颅磁刺激和电刺激方法相比,具有更高的空间精度和调控深度,已成为非侵入性神经调控研究的热点。由于超声穿透颅骨发生的路径和强度的改变,难以确定超声在颅骨内的焦点和强度,而数值仿真方法可以弥补该不足,帮助确定超声换能器位置、优化超声调制参数等。海马硬化的内侧颞叶癫痫是最常见的综合征,双侧海马硬化在治疗中难以切除。本文以颞叶癫痫的经颅神经调控为背景,研究聚焦超声换能器定位和聚焦声场强度,分析了超声序列的热效应等问题。本论文的主要研究内容包括:（1）基于k-Wave仿真软件构建了三维球脑模型,构建聚焦超声换能器,并仿真分析了不同参数下换能器的聚焦效应。基于组织衰减效应等因素,设计了经颅聚焦超声作用在颞叶海马区的仿真方案。（2）使用二值处理的CT图像数据构建人脑颅骨模型,设计了换能器定位方案。在Quadro RTX 4000 GPU计算平台仿真颅外位置点阵的聚焦声场,在声压强度分析的基础上,确定换能器中心位置点,并对颞叶海马的目标区域进行声场仿真与分析。（3）从经颅聚焦超声的换能器定位,不同精度模型对超声焦点位置与强度影响,及其超声序列的热效应分析方面进行系统研究。研究结果表明,接近CT数据毫米以下的仿真精度模型下,可以准确的确定超声换能器及其焦点位置。（4）在颅骨模型声场仿真基础上,进行了聚焦超声序列的热效应分析,分析调控区域的温度变化及对生物组织的安全性影响,防止组织内部温度过高造成脑组织损伤。验证了在设定调制参数下的安全性,为低强度聚焦超声应用提供温度变化估计。本文研究基于声压仿真结果确定了超声路径的各方向矢量角,表明在模型精度原因影响颅骨层厚度的同时,超声的入射角也发生了改变。后通过超声序列的热效应分析得到安全可靠的调制参数。为进一步的实验提供了可靠基础,为经颅聚焦超声用于脑功能相关疾病的研究提供了一些新的思路和方法。

关键词：经颅聚焦超声神经调控三维颅骨模型换能器定位热效应分析

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