用于动物实验的阵列式超声脑刺激器

曹伟，仓臣，张浩强，郑政

上海理工大学医疗器械与食品学院，上海200093

前言

超声脑刺激因其独特的优点受到了广泛的重视，众多实验室相继开展相关研究，期望进一步揭示其作用机理［1‐2］，阐明其神经调制的规律［3‐5］，从而推动其临床应用。和医学转化研究相同的是，这一过程也必须首先进行动物实验。但由于实验动物的颅骨和脑结构通常和人类具有非常大的差别，因此需要专门设计的超声刺激设备以满足动物实验之需［6‐8］。

目前几乎所有的动物实验均使用单晶片聚焦换能器，这种换能器有两个明显的缺点：（1）无法校正颅骨对声场造成的畸变，增加对实验结果进行分析的困难；（2）无法对焦点位置进行电控，实验中变换刺激部位只能依靠机械调节，不仅费时，而且容易引起超声耦合剂脱离，导致实验失败［9‐13］。

本研究针对上述问题设计了一种基于阵列式换能器的刺激器，其换能器由16个阵元组成，每个阵元都由单独的脉冲源驱动。根据相位补偿原理［14］，调整脉冲源之间的延时不仅可以校正声场畸变带来的散焦问题，而且可以在一定范围内实现焦点位置的电控［15‐19］。

1 系统设计

1.1 换能器阵列

为兼顾颅骨穿透能力和聚焦能力，本研究选取500 kHz 的超声频率。探头尺寸、阵元个数和阵元大小是另一个需要考虑的问题。通常阵元数越大，合成声场越理想，但是探头尺寸必须和动物颅骨的尺寸相配合，而用于超声脑刺激研究的动物以大鼠为多，颅骨尺寸有限（成年大鼠颅骨约为49 mm×22 mm），所以不宜安排太多阵元；阵元过多也会导致系统复杂性上升，成本增加。综合考虑以上因素，本研究的探头由16 个4 mm×4 mm 矩形阵元构成，阵元分布在直径30 mm 的圆形探头的球壳状表面，曲率半径为22 mm，每个阵元面均和球壳面相切（图1），每个阵元对称分布，并对其编号。这样的探头每个阵元发出的超声向空间一点汇聚，该点就是球壳的球心O，也是探头的自然焦点。通过控制各阵元驱动的延时，不仅能校正各种原因引起的声场畸变，而且能在一定范围内实现焦点的空间扫描。

图1 阵列换能器示意图Fig.1 Array transducer diagram

阵元由厚度为3.6 mm 的PZT‐4 型压电陶瓷切割而成，匹配层采用Epotek 301 树脂和氧化铝的混合物，两者体积比为1：3，厚度1.35 mm［20］。换能器采用空气背衬。整个探头外壳用树脂以3D 打印工艺制成。每个阵元都用0.6 m 长的50 Ω 同轴电缆连接到阻抗匹配网络，探头整体水密。

1.2 超声发生器设计

超声发生器由16个独立单元组成，每个单元都可以发生相同的超声波形并驱动阵列中的一个阵元。各通道波形的起始时间可以独立设置，换能器的聚焦校正以及焦点操纵均通过延时控制得以实现。16路脉冲发生器、延时控制器以及16路输出MOS管控制电路均集成在同一片FPGA，所需参数在一个基于Labview的人机界面中输入，然后通过RS232串口由计算机传入FPGA。系统框图如图2所示。

图2 系统框图Fig.2 System block diagram

阵列换能器的16 个阵元各自发出超声波，这些子波在空间相干叠加，形成一个刺激焦点。超声刺激波形如图3所示，由5个时间参数确定，超声频率Ft（100 kHz～2 MHz），脉冲时长PD（0.001～10.000 ms），脉冲重复频率PRF（10～2 000 Hz），声波持续时间SD（0.05～10.00 s），脉冲刺激间隔Interval（0.5～10.0 s）。参数可根据需要在相当大的范围内调整。由于通道间可能的延时，所以还需要为每一通道提供各自的延时参数，共有16个，范围为20～5 100 ns。

图3 刺激波形Fig.3 Stimulus waveform

1.2.1 延时控制延时控制主要由一个31 位的计数器构成，当超声输出指令trigger 到达时，该计数器开始以50 MHz 时钟频率计数，计数器cnt 输出的数值与16个存储在锁存器中的延时参数相比较，当i通道的延时参数和计数值相等时，输出ti由低电平变为高电平，触发该路脉冲发生器工作。同理i+1 通道输出ti+1，最终实现t1～t16信号控制脉冲输出（图4）。其中，计数器的位宽是根据延时设置范围来确定的。

图4 原理框图Fig.4 Principle block diagram

1.2.2 脉冲发生每一通道的刺激波形均由5 个计数器构成的脉冲发生器产生。系统启动后，计数器cnt_ft、cnt_pd、cnt_prf、cnt_sd、cnt_interval对系统时钟循环计数，对其计数值和存储器中的脉冲参数进行比较，最终获得要求的脉冲波形。上述5个计数器分别控制超声频率Ft、脉冲宽度PD、脉冲重复频率PRF、脉冲持续时间SD 以及脉冲间隔Interval。系统时钟频率clk为50 MHz，周期为20 ns。

1.2.3 功放与阻抗匹配电路功放电路负责把FPGA输出的超声波形放大到足以推动换能器阵元，阻抗匹配电路则负责将阵元阻抗转换成适合于功放的阻抗，本系统所用的功放和匹配电路已在之前的文章中详细介绍，此处不再赘述［21］。其中需要指出的是，功放控制时序中的占空比ratio=2τ/TT（其中，τ为功率MOSFET 导通时间，TT为超声周期）决定了输出功率，通过调整该参数可以控制超声强度。

2 延时参数测试

系统完成后需要对换能器阵列进行延时参数测试，所得结果用于焦点校正和电控操纵。测试系统如图5所示，主要由水槽、三维调节台、水听器、示波器这几部分构成。水听器为ONDA HNR‐0500 型，响应频率为250 kHz～20 MHz；示波器为Agilent MSO6054A 型。测试时系统电源电压为±30 V。以自然焦点O为原点，建立Oxyz坐标系。

图5 实验测试台Fig.5 Experimental test bench

设置刺激器为单通道工作模式，也就是说任何时间只有一个阵元被激励，16个阵元轮流激励，测量声波到达自然焦点所需的传输时间和声波到达焦点偏移位置的传输时间。刺激参数为Ft=500 kHz、PD=0.001 ms、PRF=1 000 Hz、SD=1 s、Interval=2 s，ratio1～16为96%。

水听器敏感面分别置于换能器自然焦点O，以及（x=±2,y=0,z=0）、（x=0,y=±2,z=0）处（单位mm），测量各阵元发射的声波传输时间，结果如表1～2所示。

表1 自然焦点校正所对应的传输时间及相对延时值Tab.1 Transmission time and relative delay value corresponding to natural focus correction

从表1中可以看出阵列中3 号阵元的传输时间最长，以此为基准，将该传输时间与表1中16 个阵元声波传输时间分别做减法运算，便可以算出各阵元为校正散焦所需设置的相对延时值。

从表2中可以得到焦点偏移所对应的传输时间，还是以传输时间最长阵元为基准，将该传输时间分别与各阵元传输时间做减法运算，计算出各阵元所需设置的相对延时，从而操纵焦点移动，各个偏移位置所对应的计算结果如表3。

表2 焦点偏移所对应的传输时间（μs）Tab.2 Transmission time corresponding to focus offset(μs)

表3 焦点偏移所需相对延时（ns）Tab.3 Relative delay time required for focus offset(ns)

3 焦点校正和电控操纵

将测试所获得的延时值输入系统界面，系统将其转换成相应的延时参数，送入FPGA 中的延时控制模块，即可校正换能器散焦或者操纵焦点实现焦点偏移。图6分别表示焦点校正前后经过自然焦点O的x、y、z轴方向声压分布曲线。经过校正后，焦点处声压提高了23%，对声压测量数据点作线性插值得出‐6 dB 声压所对应的横坐标值，由此求出主瓣‐6 dB焦域尺寸在x、y、z轴方向所对应的大小为dx=3 mm、dy=3 mm、dz=14 mm。离焦点10 mm 处存在的旁瓣声压都远低于主瓣6 dB以上。

图6 x、y、z轴方向声压Fig.6 Sound pressures at x,y and z axes

焦点从O 点向左右和上下各偏移2 mm 所需的延时时间是根据表2计算所得，将这些延时值输入控制界面后，测得的结果如图7～8所示。

图7 焦点x轴方向偏移Fig.7 Focus x-axial offset

由图7分析得出焦点由原点左偏2 mm 后，x=‐2处主瓣声压相对原点主瓣声压降低了10.4%，其偏移反方向的旁瓣会变大，旁瓣声压大于主瓣‐6 dB声压；焦点由原点右偏2 mm 后，x=+2处主瓣声压相对于原点主瓣声压降低了8.2%，其偏移反方向的旁瓣会变大，旁瓣声压大于主瓣‐6 dB声压。

由图8分析得出焦点由原点下偏2 mm 后，y=‐2处主瓣声压相对原点主瓣声压降低了8%，其偏移反方向的旁瓣会变大，旁瓣声压大于主瓣‐6 dB声压；焦点由原点上偏2 mm 后，y=+2处主瓣声压相对于原点主瓣声压降低了12.9%，其偏移反方向的旁瓣会变大，旁瓣声压大于主瓣‐6 dB声压。

图8 焦点y轴方向偏移Fig.8 Focus y-axial offset

4 讨论与结论

经过校正后自然焦点在x轴、y轴方向的‐6 dB 焦域尺寸均约3 mm，z轴方向长度为14 mm。焦点在x、y方向达到理想的指标，但相位补偿法不能校正焦点z轴方向尺寸，后期可以通过增大阵元孔径的方法改善焦点z轴方向尺寸。校正前后声场在x、y方向都存在旁瓣，位置均在离焦点约10 mm 处，其声压均比主瓣低6 dB 以上。焦点偏移2 mm 后，其偏移反方向一侧的旁瓣会相应加大，因此焦点偏移只能是在一定的范围内，超过一定的范围后焦点附近的旁瓣就会加大，影响聚焦的效果。本研究设计并实现了一种应用于小动物脑刺激研究的阵列式超声脑刺激器。该刺激器用上位机PC 发送刺激参数到内置的FPGA中，其输出波形经过功放电路和匹配电路后转换成高压正弦脉冲加载到阵列探头上。测试结果表明该刺激器实现了焦点校正和焦点偏移，具有校正焦点和操纵焦点移动的功能，为脑刺激研究的动物实验提供了有用的工具。