Page 74 - 《应用声学》2021年第3期

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phased array focusing, the focus shift phenomenon is basically solved, the focus horizontal and vertical reso-
lution are improved, and the sound beam focusing accuracy and sound pressure intensity are also enhanced.
By setting up an experimental platform and normalizing the sound fields measured by the two focusing meth-
ods, it is verified that the time reversal method can compensate for the focus shift, it demonstrates through
experiments that there is a high consistency between the acoustic field of the ultrasonic transducer and the
distribution of the induced electric field. The virtual point source time reversal focusing based on the real brain
structure can achieve non-invasive, accurate and flexible TMAES, which promotes the development of precision
neuromodulation technology.
Keywords: Transcranial magnetic acoustic electrical stimulation; Time reversal; Precise focusing; Ultrasonic
transducer
影响，对于具体神经调控和得到最优 TMAES 参数
0 引言
提供理论指导。
神经调控技术是开展神经科学研究与神经系 相控阵超声换能器可实现高空间分辨率、深层
次的有效刺激，但是颅骨对声场的散射和衍射严重
统疾病临床治疗的基本手段。基于电磁感应原理，
影响了焦点区域的声场 [11] 。骨骼的声阻抗约是软
通过采用电场或磁场等非侵入式方式刺激脑神经
组织的 10 倍 [12] 。Yuldashev 等 [13] 在阵列换能器聚
组织，来达到调节脑功能的目的，包括经颅磁刺激
焦模拟中发现了随声压变化的焦点偏移现象。为了
(Transcranial magnetic stimulation, TMS) [1] 、经
实现更加精准的超声聚焦，Fink 等 [14] 将时间反演
颅直流电刺激 (Transcranial direct current stimu-
法引入了声学领域，系统理论分析的同时进行了大
lation, tDCS) [2] 和经颅超声刺激 (Transcranial ul-
量的水声实验，实现了在空间和时间上的同步聚焦。
trasound stimulation, TUS) 等方法 [3] 。经颅磁声
高翔等 [15] 对时间反演法进行了深入的研究并进行
电刺激 (Transcranial magnetic acoustic electrical
改进，应用于流体、固体和分层介质，进行裂纹检测
stimulation, TMAES) 是一种新型无创脑神经调控
和目标定位。该方法在生物医学和磁声成像等方面
技术，将超声波和静磁场作用于神经组织产生电流，
也有广泛应用 [16−17] 。苏畅等将时间反转法用于经
从而对神经组织进行刺激，刺激区域由超声波在神
颅超声聚焦，证明时间反转法相比于传统的时间延
经组织的聚焦区域决定，同时静磁场在组织中的衰
时方法可以使聚焦更准确 [18−20] 。
减远小于交变磁场，因此 TMAES 是一种高空间分
现有经颅磁声电刺激相关文献大多使用超声
辨率的深部有效神经刺激。
换能器加声准直器或透镜约束方式进行神经刺激，
Norton [4] 通过计算麦克斯韦方程组，理论上证
所建立的声场和感应电场的聚焦性仍有待提高。本
明静磁场和超声场可以产生足够强的感应电流对
文采用相控阵超声换能器，通过在颅脑内设置虚拟
大脑进行刺激。杨少华 [5] 对静磁场中带电凝胶受超
点声源仿真模拟超声传播过程，记录各阵元接收到
声作用而产生的电信号以及超声回波信号做了频
超声信号的时间，按照后到先发原则进行反演聚焦。
谱分析，指出二者中心频率一致，初步验证了该方法
相比于传统相控聚焦，可以准确地在预设点实现聚
的可行性。李慧雨等 [6] 使用超声换能器向静置于磁
焦。通过搭建实验平台，利用水听器检测到的数值
场中的导电样本打入超声，并测量沿不同方向的声
绘制聚焦点处的归一化声压图，证实了时间反演法
压信号以及电信号，分析了施加声场和感应电场之
可以解决焦点偏移，实现自适应聚焦，并对声场和感
间的一致性。Yuan 等 [7] 和刘世坤等 [8] 分别通过分
应电场分布一致性进行验证，进一步证实了时间反
析刺激后大鼠局部场电位信号的变化以及动物行
演用于经颅磁声电刺激的可行性。
为学实验，证明了磁声耦合电刺激方法可形成有效
刺激。张帅等 [9−10] 通过建立包括刺激深度、刺激强 1 原理
度、聚焦面积、焦域长度以及电场强度梯度系数在
内的评价指标，对经颅磁声电刺激感应电场聚焦性 1.1 TMAES原理
能进行了有效评价；并且基于 H-H 神经元模型，仿 神经组织样本内部带电粒子受超声波作用而
真了TMAES下不同超声参数对神经元放电模式的 振动，振动的粒子在磁场 B 0 中切割磁感线产生与