Page 206 - 《应用声学》2023年第2期

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(Mechanical index, MI) 的值不能超过 1.9 [16] ，否则
0 引言 会对刺激靶区及周围组织造成热损伤和机械损伤。

本文利用 128 阵元相控阵换能器和 44 岁健康
颞叶癫痫、抑郁症、阿尔兹海默症等脑部疾病
男性志愿者人体头颅 CT 数据建立三维数值仿真模
是发病率、致残率和病死率较高的重大疾病，而这
型，基于时间反转法利用时域有限差分法 (Finite
些疾病与人脑海马的异常放电密切相关 [1−4] 。目前
difference time domain, FDTD)结合Westervelt声
这些疾病在临床上主要有药物、手术切除灶区、经
非线性传播方程，数值仿真研究不同换能器结构参
颅电磁刺激、深部脑刺激等疗法 [5] ，这些疗法具有
数对经颅聚焦超声治疗时在颅内形成焦域大小的
药物耐药性、有创、受限于低分辨率和脑浅表组织
影响，并以I spta 在0.5∼2.25 W/cm 2 [12] 范围内可有
等局限性。近年兴起的经颅超声刺激 (Transcranial
效抑制癫痫发作的刺激治疗强度为例，探讨超声输
ultrasound stimulation, TUS) 方法是一种具有非
入总功率、占空比和频率等治疗参数，并通过 MI 和
侵入、无创且具有可在脑深度聚焦和分辨率的经颅
温升计算评估其治疗的安全性。最后，通过电容模
神经治疗技术，受到了众多研究者的关注 [6−7] 。
型仿真研究了超声刺激对海马神经元放电活动的
1958 年，Fry 等 [3] 利用连续超声波刺激在开颅
影响，为下一步安全有效临床刺激海马进而治疗相
状态下猫外侧膝状核，结果发现猫的初级视觉皮
关神经疾病的超声参数选择提供参考。
层的部分电生理活动受到抑制。1996 年，Gavrilov
等 [4] 发现低强度脉冲超声的机械效应能引起神经 1 基本方程式
元动作电位的变化。2008 年，Tyler 等 [8] 使用超声
频率为0.44 MHz的低强度聚焦超声(Low-intensity 1.1 声波传播方程
focused ultrasound, LIFU) 对离体小鼠海马切片进 Westervelt方程 [17−18] ：
行刺激，研究结果表明 LIFU 可通过激活神经元 1 ∂ p δ ∂ p β ∂ p
3
2 2
2
2
∇ p − + + = 0, (1)
4
4
2
膜离子通道来刺激神经元的电活动，影响海马回 c ∂t 2 c ∂t 3 ρc ∂t 2
路中的突触传输。2011 年，Min 等 [9] 利用 LIFU 刺 式 (1) 中，∇ 为拉普拉斯算子，p 为声场某点处的声
激癫痫大鼠模型实验，结果表明超声可抑制癫痫 压；ρ 和 c 分别为介质的密度和介质中的声速；声波
发作。2014 年，Legon 等 [10] 将超声刺激人体初级 非线性系数为 β = 1 + B/(2A)，B/A为介质的非线
躯体感觉皮层，试验结果表明超声可局部调节人 性系数；t为声波传播时间；声波扩散系数：
类皮质功能。2019 年，Chen 等 [11] 在超声频率为 2c α
3
δ = , (2)
0.5 MHz、脉冲重复频率为 100 Hz、时空平均声强 ω 2
为 0∼9.37 W/cm 条件下对 76 只癫痫大鼠进行刺 式 (2) 中，α 为介质的衰减系数；角频率 ω = 2πf，f
2
激治疗，结果表明超声刺激可有效抑制癫痫且无不 为声波频率。
良反应。2020 年，Brinker 等 [12] 进行低强度脉冲超
1.2 颅骨组织声学参数计算
声治疗耐药性颞叶癫痫的临床试验，在脉冲重复频
在数值仿真过程中，头颅各空间位置上头皮组
率为500 Hz、占空比(Duty cycle, DC)为36%∼50%
织、颅骨和脑组织的密度、声速、衰减系数通过头颅
的条件下，临床试验结果表明在 0.5∼2.25 W/cm 2
CT的亨氏值H 进行计算，其计算式为 [18−19]
的空间峰值时间平均声强 (Spatial peak temporal
H
average intensity, I spta )范围内有效治疗，无不良事 φ = 1 − , (3)
1000
件发生。
ρ = φ × ρ water + (1 − φ) × ρ bone , (4)
位于颞叶两侧各的形似 C 字的人体海马，其长
c = c water + (1 − φ) × (c bone − c water ) , (5)
约 40∼45 mm [13] ，左侧宽度约为 21 mm，高度约为
α = α water + φ 0.5 × (α bone − α water ) , (6)
11 mm [14] 。为了防止TUS临床治疗引发并发症，需
有效控制治疗焦域的形状和体积，选择形成焦域大 式(3)∼(6)中，φ为介质孔隙率，ρ water 、c water 、α water
小适应于人脑海马大小的刺激靶点。同时刺激靶 分别为水的密度、声速和衰减系数，ρ bone 、c bone 、
点脑组织的温升应控制在 3 C 以内 [15] ，机械指数 α bone 分别为皮质骨的密度、声速和衰减系数。
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