用于磁声耦合刺激的64阵元相控阵超声换能器的设计*

刘煦, 刘睿旭，马任，周晓青, 殷涛,2 ,刘志朋△

(1.中国医学科学院 北京协和医学院 生物医学工程研究所,天津 300192；2.中国医学科学院神经科学中心,北京 100730)

1 引 言

无创神经刺激技术现今被广泛用于重大脑疾病诊断，预防及治疗[1]。近年来快速发展的无创刺激技术有经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)[2]，经颅超声刺激(transcranial ultrasonic stimulation, TUS)[3]，经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)[4]，以及磁声耦合电刺激技术(transcranial magneto-acoustic stimulation, TMAS)[5]。其中，TMAS技术具有精准高时空分辨率的特性，可被用于脑医学中认知障碍相关重大疾病的发病机制研究[6～7]。

TMAS是2005年由Norton提出[8]。该方法基于磁声耦合效应原理，通过对生物组织施加磁场和声场，使组织内部导电粒子在磁场中受洛伦兹力作用产生与声场分布一致的耦合电场，用于刺激生物组织[9]。该方法利用了超声高精度聚焦特性以及电刺激治疗效果的优势，具有极大发展前景。2016年Zhang等[10]使用TMAS技术对雄性SD大鼠大脑皮层各区域进行磁声耦合刺激实验，验证了该方法相较传统TUS具有更强的神经刺激效果[11～13]。

在超声和磁场的磁声耦合效应下，组织中产生耦合电流，考虑到深部脑功能区神经刺激的需求，具有更好的深部聚焦性能的超声聚焦换能器的研制为该技术的关键[14]。多阵元相控阵超声换能器，其优势在于利用多个阵元可被相位控制的优点，使发出的声波聚焦在一个区域内形成叠加能量，进而提高聚焦性能。近年来，多阵元超声阵列换能器的研制有很大进展。2017年，Li等[15]构建了一个环形阵列超声换能器，其阵元宽度为1.2 mm，阵元间距为1.3 mm，在中心频率为10 MHz，聚焦深度为50 mm时截面声压等高线的声束宽度为5.82 mm，具有较好的深部聚焦性。但制作环形超声换能器的工艺复杂，需要打造同心圆环式压电晶体，以保证环形相控阵的波束不会发生偏转[16-18]。2019年Yang等[19]设计并制作了一个可扩展的2D平面阵列，由48个256(共12 256个阵元)单元的正方形模块换能器构成，具有高聚焦性特点，可显著降低热效应及空化效应对聚焦点周边神经的影响。但其功率大，且时序控制复杂，造价高。

本研究拟设计小型的适宜TMAS技术的线性64阵元相控阵超声换能器。首先，建立适配脑深部磁声耦合刺激的0.5 MHz中心频率[20-21]的超声换能器模型，通过改变超声换能器阵元的宽度与间距[22]对超声换能器进行仿真，优化超声换能器的性能，选择最优参数定制超声换能器，激励该换能器发射超声，进行声场测试，获得可反应其聚焦性的声场分布。实验证明，该换能器性能在深部脑组织靶区刺激聚焦焦斑横向直径小于3 mm。

2 方法

2.1 声换能器性能仿真

超声相控阵换能器的设计[23]基于惠更斯原理，本研究以6阵元模型说明聚焦原理。图1中，A1,B1,C1,D1,E1,F1分别代表6个阵元的中心点，O为目标聚焦中心点，OG1为聚焦中心到换能器阵列的最短距离，在该模型中，多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，进而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦[24～25]。

图1 模拟6阵元相控阵声换能器坐标系

由于A1,B1,C1,D1,E1,F1到O点距离各不相同，若进行相控阵声换能器聚焦，需进行延时计算，以保证精准定位到O点。

由勾股定理可得各阵元到聚焦中心距离：

(1)

单一阵元相控阵声换能器到焦点延时差为：

(2)

其中，t为计算得延时差，v为声速。

由此可得，模拟多阵元所有时序延时差，分别为tA1，tB1，tC1，tD1，tE1，tF1。

将6阵元超声换能器扩展为8×8面阵相控阵超声换能器的仿真时，将式(1)和式(2)扩展得到适用于面阵的延时计算公式，其每个阵元指向聚焦目的区域均对应一个时间点，二维声场仿真(即聚焦中心截面仿真)将换能器表面划分为 1 000×1×1 000平面网格，根据Tupholme 和Stepanishen 提出的空间脉冲响应方法逐点计算超声波的声场，计算后进行叠加，时序计算公式如下：

(3)

其中xf，yf，zf为超声换能器设计聚焦焦点位置，xc，yc，zc是换能器整体的中心参考位置，xi，yi，zi是第i个阵元的中心位置，64阵元换能器即1≤i≤64，c是声速。

使用Matlab依照公式(3)进行仿真模拟，设置压电晶体种类为PZT-4，50 mm深度作为聚焦平面，通过改变阵元间距和阵元宽度，选择一具有最佳聚焦效果的64阵元面阵相控阵超声换能器参数。仿真实验分为两组：一组通过设置面阵换能器中阵元宽度探究其对脑深部(50 mm)聚焦性能(聚焦焦斑直径)的影响。另一组通过实验1选择的最佳阵元宽度，设置对照实验挑选最适合该阵元宽度的阵元间距，最终得到阵元宽度与间距参数结果。两组实验的参数选择见表1[18]。

表1 对照实验参数选择

2.2 换能器声场测试装置

本研究设计的一种声场测试装置用于检测换能器实际聚焦效果，见图2。使用Vantage系统控制64阵元换能器各阵元的发射与接收，电机驱动器(AZD-KD，ORIENTAL MOTOR, 日本)进行通信控制水听器平台进行XYZ方向三维运动，主机选用MCU主机(STM32F407)，实验中使用该芯片作为主机控制Vantage系统进行换能器信号收发操作，同时使用步进电机驱动膜式水听器检测超声换能器的发射声场，由采集卡(8861-50，HIOKI, 日本)逐点采集声场分布数据，并用示波器(DPO 5034B, Tektronix, 美国)存储采集数据。使用MATLAB对采集结果进行声场分布图像还原处理，可得到换能器实际聚焦声场分布。装置结构及控制流程图见图2、 图3。

图2 声场测试装置示意图

图3 声场测试流程图

3 结果及分析

3.1 声场仿真

不同阵元宽度及阵元间距超声换能器聚焦仿真结果，见图4。图4(a)和图4(b)分别显示了阵元间距为0.4 mm，阵元宽度为5 mm时和阵元宽度值为7 mm时的换能器聚焦XY轴截面图。由图可见，阵元宽度为7 mm时，旁瓣干扰相较5 mm宽度时更为明显，图4(c)和图4(d)分别显示了阵元宽度为4.5 mm，阵元间距为0.1 mm和0.8 mm时的超声换能器聚焦XY轴截面图，图中可见阵元间距为0.1 mm和0.8 mm时，旁瓣效应干扰均不明显，阵元间距为0.8 mm时，聚焦点出现偏移，实际聚焦位置，即图4(d)中声强最大值在60 mm处，与设置值50 mm的聚焦位置不符。

图4 不同阵元宽度及阵元间距超声换能器聚焦仿真对比

相同阵元间距(0.4 mm)、不同阵元宽度的超声换能器聚焦焦斑直径大小与阵元宽度关系，见图 5。焦斑直径大小取值方法为：取声场分布声强数值矩阵中最大值衰减6 dB以上作为焦斑取值，得到焦斑区域，计算其长度。由图可知，阵元宽度在4～5 mm时，换能器具有最小的焦斑直径(3 mm)，即最佳的聚焦性能。

图5 聚焦焦斑直径与阵元宽度关系图

在相同阵元宽度、不同阵元间距的条件下超声换能器聚焦焦斑直径与阵元宽度关系，见图 6。由图可知，阵元宽度为4.5 mm，阵元间距在0.1～0.8 mm时，焦斑直径差距为0.2 mm，差值较小。

图6 聚焦焦斑直径与阵元间距关系图

3.2 声场测试

参考仿真获得的优化参数，本研究制作了线性64阵元相控阵超声换能器。采用图2的声场测试装置测试64阵元换能器的声场特性，每次移动步长为0.4 mm，共移动35次，同时激活采集卡及示波器进行采集与存储功能，一个平面共采集35×35=1 225 组数据，单个截面的扫描面积为14×14=156cm2。用Matlab处理采集到的数据，得到实测声场的聚焦分布图。

64阵元面阵相控阵超声换能器的仿真结果和实测结果，见图7。图7(a)和图7(b)分别显示了64阵元超声换能器仿真声场分布图与实测声场测试结果图。图中可见该超声换能器仿真与实测结果XZ方向上焦斑形状一致，但Y方向上存在误差，实际聚焦效果与仿真有些许差异。

为进一步比较实测与仿真的差异，将图7仿真及实测结果截取深度50 mm(即Y=50 mm)二维分布可得到图8，图8(a)和图8(b)分别显示了XZ平面的声场分布图与实测声场分布图。取声场分布聚焦声强最大值衰减6dB作为有效聚焦值，由图8(a)求出仿真聚焦焦斑直径为3.1 mm。同理，由图8b)求得实测聚焦焦斑直径为1.2×10-3÷3×8.5=3.4 mm，略大于仿真结果，表明该64阵元面阵相控阵超声换能器在聚焦深度为50 mm时的XZ截面具有3.4 mm焦斑直径的聚焦特性，与仿真结果基本相符。

图9(a)和图9(b)分别显示了Z=0的XY平面仿真声场分布与实测声场分布图，将仿真结果与实测结果在XY轴区域(x∈[-6.4,6.4],y∈[5,6.28], 单位:mm)内进行比较。图9(a)仿真结果显示：在y=62.8 mm平面与y=50 mm平面的聚焦峰值声强相比，聚焦声场强度衰减3.34 dB，即距离焦点12.8 mm处声场强度衰减了36%。由图9(b)显示了声场的实测数据，在y=62.8 mm平面与y=50 mm平面的聚焦峰值声强相比，聚焦声场强度衰减3.87 dB，即距离焦点12.8 mm处声场强度衰减了32%，该结果表明64阵元面阵相控阵超声换能器在聚焦深度为50 mm时的XY截面的声场分布与仿真结果同样相符。

图8 面阵相控阵换能器在XZ轴(y=50mm)截面声场分布图

图9 面阵相控阵换能器在XY轴(z=0 mm)截面声场分布图

4 总结及讨论

本研究通过对64阵元面阵超声换能器设置不同的阵元宽度和间距进行仿真，选择在模拟脑深部距离50 mm超声换能器聚焦性能进行参数优化，综合考虑声场聚焦焦斑大小与旁瓣干扰情况、以及阵元尺寸变化的影响，选定宽度4.5 mm、间距0.1 mm的阵元参数制作了64阵元面阵相控阵换能器，并对换能器聚焦性能进行了实测，由图8可知，该64阵元面阵相控阵超声换能器在在50 mm深度处XZ轴平面与XY轴平面的实际聚焦效果与仿真结果基本一致。

研究表明当阵元数大于16时，可以减小旁瓣影响。因此，很多研究者从改变超声换能器阵元的排列方法和阵元的数量的角度出发，提高超声换能器的聚焦效果，如利用12 256个阵元的正方形模块换能器，从增加阵元数量的角度提高换能器聚焦性。本研究通过改变换能器的阵元宽度和阵元间距尺寸对8×8面阵超声相控阵换能器进行优化，结果显示，本研究设计的8×8面阵相控阵换能器在深部(50 mm)区域的聚焦焦斑直径仿真值为3.1 mm，实测值为3.4 mm，可初步用于40～80 mm脑深部刺激靶区进行TMAS刺激。