一种多位点同步检测的声电成像方法

本发明涉及神经功能成像，尤其涉及一种多位点同步检测的声电成像方法。

背景技术：

1、神经功能成像是一项关键技术，可以展现大脑在进行某种任务(包括感觉、运动和认知等功能)时的代谢活动，常用于医学神经科学诊断和心理学等研究。脑电图(electroencephalogram,eeg)是最常用的神经功能成像方式，虽然eeg在时间分辨率上占有极大的优势，但是受到大脑容积导体效应影响，eeg空间分辨率相对较低，通常在厘米量级。声电成像作为一种新兴的成像技术有望突破容积导体效应限制，对神经电活动实现非侵入的高时空分辨率检测。

2、声电成像技术基于声电效应，即超声波穿过生物流体或组织时会引起局部电导率发生变化(f.e.fox et al.,“the effect of ultrasonic waves on the conductivityof salt solutions,”phys rev,vol.70,no.5-6,pp.329–339,sep.1946.)；(witte r s,olafsson r,huang s.w.imaging current flow in lobster nerve cord using theacoustoelectric effect[j].applied physics letters,2007,90(16):163902.)；(li q,olafsson r,ingram p,et al.measuring the acoustoelectric interaction constantusing ultrasound current source density imaging[j].physics in medicine&biology,2012,57(19):5929-5941.)。因此，在聚焦超声形成的焦斑处，通过电场和声场的耦合可以产生高频的声电信号。聚焦超声波扫描某一脑区(其中包括激活区和非激活区)，受超声调制后的激活区输出高频的声电信号，而非激活区则输出噪声信号。利用电极进行输出声电信号的采集，对采集后的信号进行滤波和包络提取等处理完成解码。由所有扫描位点处的声电信号即可解码出源电场的分布，获得具有精确位置信息的脑电信号，保留了传统脑电成像技术高时间分辨率优势的同时克服其空间分辨率不足的问题。在声电效应的基础上，russell witte等人在声电成像技术上做了许多工作，(olafsson r,witte r s,huang s w,et al.ultrasound current source density imaging.ieee transactionson biomedical engineering,2008,55(7):1840-1848.)；(qin,y.,ingram,p.,burton,a.,et al.4d acoustoelectric imaging of current sources in a human headphantom.in ultrasonics symposium(ius),2016ieee international(pp.1-4).)这些工作验证了超声波对生物电信号的调制和解码，为本发明的提出提供了理论基础。

3、目前，声电成像技术均采用逐点扫描方式对检测脑区进行扫描(包括超声自聚焦换能器机械逐点扫描以及相控阵的电子逐点扫描)，通过逐点扫描并逐个解码，进行激活源信号的成像，(xizi s,xinrui c,jiande g,et al.living rat ssvep mapping withacoustoelectric brain imaging.[j].ieee transactions on bio-medicalengineering,2021,pp.)；(天津大学.一种面向多源激活检测的声电神经成像系统[p].cn111227801b,2022-06-10.)。然而，逐点扫描成像的方式会导致成像结果呈现在不同的时间跨度上，在长时间跨度的扫描中必然会遗漏掉相关重要信息，同时扫描的位点越多，采集和扫描时间也越久，成像结果对于正常的电生理反应必然是描述不准确的。另一方面，生物的脑电活动中往往同时有多个位点存在激活区，激活区之间存在的生理关联也是研究脑活动的重要内容，因此在临床应用及研究中，存在对多位点激活源信号同步检测及其传导网络研究的需求，传统的声电成像方式存在严重的局限，限制了声电成像技术的应用范围。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术存在的不足，提供了一种多位点同步检测的声电成像方法。本发明的技术方案如下：

2、一种多位点同步检测的声电成像方法，包括下列步骤：

3、1)搭建多焦斑声电成像系统，包括超声发射系统，脑电采集系统以及电信号处理系统；

4、2)对发射超声的换能器进行发射规则的调整，设计多焦斑阵元发射模式，从而调整声场特性，产生多个超声波束；在多焦斑阵元发射模式的基础上，采用发射阵元幅度变迹方式，缩小超声波束的宽度，减小焦斑尺寸，确保多个超声波束和焦斑之间没有重叠和干扰，所形成的多个聚焦焦斑位点，分别编码对应位点处的电信号；

5、其中，所述的发射阵元幅度变迹方式为：为了得到更小尺寸的焦斑主瓣，对多阵元激励增加窗函数，使得发射同一个波束的各阵元激励电压之间存在差异，在发射状态下对换能器中心阵元赋予较小的加权系数，而逐渐增大靠近端部阵元的加权系数；

6、3)脉冲重复频率特性的设计，在超声换能器多焦斑阵元发射模式的基础上，通过改变超声换能器阵元发射脉冲的间隔时间，实现多焦斑波束的脉冲重复频率特性设置，形成多个不同脉冲重复频率的焦斑波束，与之对应的形成多个不同脉冲重复频率的焦斑，从而获得不同脉冲重复频率的多波束声场；

7、4)使用所获得的不同脉冲重复频率的多波束声场对目标区域的多位点进行扫描，波束在焦平面处形成焦斑，声场的多个焦斑会分别对相应区域的电信号进行编码，形成编码声电信号；

8、5)对编码声电信号进行采集，对采集到的信号进行滤波和解码，方法如下：

9、对采集的信号进行以超声脉冲重复频率为中心的带通滤波处理，对滤波得到的声电信号进行解码；

10、6)被扫描的多位点分别对应区域内的焦斑，根据对应焦斑波束的脉冲重复频率依次进行滤波和解码，得到各个位点的解码信号幅值；

11、7)对所有位点的解码信号幅值进行归一化和插值，实现基于多区域组合和多位点同步检测的声电成像。

12、进一步的，所述换能器采用线阵换能器，所选择的窗函数为：

13、

14、式中，n为一个波束对应的阵元数量，i＝1,…,n，wi为第i个阵元的加权系数，α为调节参数，[α∈(0,0.5)]。

15、具体的可以是，

16、进一步的，对滤波得到的声电信号进行解码的方法包括直接取包络方法和希尔伯特变换取特征值方法。

17、本发明提供的技术方案的有益效果是：

18、1)增加了声电成像技术的应用场景：在多个频率滤波处理和解码的前提下，可以增加超声波束的数量，增加焦斑的数量，从而实现更大范围和更多位点的同时检测，突破了传统声电成像技术扫描检测的限制。

19、2)缩短了数据采集时间：通过多焦斑对多位点的同时扫描，再经过数据处理等方法完成多位点的同时成像，优化了传统单焦斑扫描单位点的操作，相比于传统声场的扫描，缩短了扫描采集的时间，扩大了扫描区域，提高了成像实时性。

20、3)扩展了发展方向：可以利用多位点同步检测的声电成像技术进行多脑区同时检测，或者是同一脑区的多位点激活检测，获得同一时间大脑内部多个激活区域成像结果图，为多位点激活源信号同步检测及其传导网络的研究提供了有力支持。