一种双频超声无创靶向声遗传调控的方法及系统

本发明涉及超声神经调控，特别是涉及一种双频超声无创靶向声遗传调控的方法及系统。

背景技术：

1、神经调控是指通过物理、化学或生物的方法调节神经系统的活动，以达到治疗疾病或改善某种生理功能的目的。神经调控技术在医疗和研究中应用广泛，尤其是在治疗慢性疼痛、帕金森病、癫痫和抑郁症等神经系统疾病方面具有重要意义。目前，经颅磁刺激、经颅交流电刺激、经颅直流电刺激等非侵入性神经调节技术已广泛应用于神经精神疾病的治疗。然而，空间分辨率和穿透深度限制了这些技术的应用。经颅聚焦超声传输一种机械能形式，可以通过颅骨无创地以毫米大小的焦点瞄准脑深部区域。它以其高分辨率、可控性和无创性等优点在医学上得到了广泛的应用。

2、声遗传学(sonogenetics)是指使用基因编码的超声波响应介质对神经活动进行非侵入性和选择性控制。它是通过基因插入外源性介质诱导细胞类型特异性神经调节，使靶向神经元对超声具有敏感性。声遗传是研究神经回路的一个很有前途的工具。“超声遗传学”的概念在2015年被提出。简单来说，就是利用基因操作技术，在神经元上表达机械力敏感的受体，赋予细胞对超声刺激的敏感性，超声刺激也就具备了对细胞或组织的特异性。通过细胞类型特异性基因表达实现通过结合细胞内机械敏感机制(例如离子通道)的靶向表达和超声的精确递送，实现全脑尺度脑区分辨的精准神经网络操控，具有高时空分辨率和准确深部脑靶向的非侵入性刺激。

3、虽然超声神经调控和声遗传近几年发展迅速，但仍存在一下问题。超声经颅会出现由于颅骨和脑组织声阻抗不匹配的问题，难以实现更高精度的调控。且超声神经调控最终要应用于人类神经系统疾病的临床治疗，但目前实验研究阶段机械敏感通道介导的精准神经调控将目的基因通过aav病毒作为载体过表达于神经元上(声遗传)。现有技术在在调控精度、生物安全性和医学伦理方面，此技术的发展及应用伴随巨大的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种双频超声无创靶向声遗传调控的方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种双频超声无创靶向声遗传调控的方法，包括：

4、基于微泡参数和超声参数频率，确定最优超声刺激参数，其中，所述微泡参数包括：微泡的直径和微泡包膜材料；

5、基于所述最优超声刺激参数，对换能器进行声场仿真，获取换能器的目标位置和夹角信息；

6、将微泡与声遗传病毒混合均匀，并注射到目标体内，使混合液在血液中循环；

7、注射到目标体内后，基于所述最优超声刺激参数，并根据仿真信息将换能器移动到指定位置和夹角，进行超声无创靶向声遗传调控。

8、可选地，确定所述最优超声刺激参数包括：

9、通过耦合单个微泡在超声激励下的动力学模型与微泡包膜模型，构建包膜微泡动力学模型；

10、通过非线性声场方程，构建非线性声场模型；

11、结合所述包膜微泡动力学模型和所述非线性声场模型，构建非线性声场下的包膜微泡动力学模型；

12、基于所述非线性声场下的包膜微泡动力学模型，分析双频超声在不同声压、不同幅度、不同相位组合下空化阈值变化，同时结合所述超声频率信息，确定所述最优超声刺激参数。

13、可选地，获取换能器的目标位置和夹角信息包括：将换能器焦点处于刺激靶点位置，通过改变换能器的夹角，获取焦点最小、强度最大时的夹角和位置信息。

14、可选地，进行超声无创靶向声遗传调控包括：

15、靶向控制微泡的空化，释放声遗传病毒，使声遗传病毒在靶区内表达。

16、一种双频超声无创靶向声遗传调控的系统，用于实施所述的双频超声无创靶向声遗传调控的方法，所述系统包括：微泡动力学计算模块、声场仿真模块、机械臂模块、静脉注射模块、声发射模块；

17、所述微泡动力学计算模块，用于基于微泡参数和超声参数频率，确定最优超声刺激参数，其中，所述微泡参数包括：微泡的直径和微泡包膜材料；

18、所述声场仿真模块，用于基于所述最优超声刺激参数，对换能器进行声场仿真，获取换能器的目标位置和夹角信息；

19、所述机械臂模块，用于基于所述目标位置和夹角信息移动换能器；

20、所述静脉注射模块，用于将混合后的微泡与声遗传病毒注射到目标体内；

21、所述声发射模块，用于注射到目标体内后，基于所述最优超声刺激参数，并根据仿真信息将换能器移动到指定位置和夹角，进行超声无创靶向声遗传调控。

22、可选地，所述微泡动力学计算模块包括：第一构建单元、第二构建单元、第三构建单元和分析单元；

23、所述第一构建单元，用于通过耦合单个微泡在超声激励下的动力学模型与微泡包膜模型，构建包膜微泡动力学模型；

24、所述第二构建单元，用于通过非线性声场方程，构建非线性声场模型；

25、所述第三构建单元，用于结合所述包膜微泡动力学模型和非线性声场模型，构建非线性声场下的包膜微泡动力学模型；

26、所述分析单元，用于基于所述非线性声场下的包膜微泡动力学模型，分析双频超声在不同声压、不同幅度、不同相位组合下空化阈值变化，同时结合所述超声频率信息，确定所述最优超声刺激参数。

27、可选地，所述声场仿真模块中获取换能器的目标位置和夹角信息包括：

28、将换能器焦点处于刺激靶点位置，通过改变换能器的夹角，获取焦点最小、强度最大时的夹角和位置信息。

29、可选地，所述声发射模块中，基于加载的所述最优超声刺激参数，靶向控制微泡的空化，释放声遗传病毒，使声遗传病毒在靶区内表达。

30、本发明的有益效果为：

31、本发明提出了一种双频超声无创靶向声遗传调控方法及系统，将超声参数频率和微泡参数输入到微泡动力学计算模块后，计算得出微泡瞬态空化所需的最小声压，同时利用声场仿真模块确定两个换能器的夹角，以得到最小的焦点，根据计算的夹角，利用双机械臂模块调整换能器夹角与位置，使焦点位于刺激靶点上，最后经静脉注射模块将微泡与声遗传病毒注射到目标体内，利用双频超声系统靶向控制微泡的空化，释放声遗传病毒，使该病毒在靶区内表达，实现无创靶向声遗传调控。

技术特征：

1.一种双频超声无创靶向声遗传调控的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的双频超声无创靶向声遗传调控的方法，其特征在于，确定所述最优超声刺激参数包括：

3.根据权利要求1所述的双频超声无创靶向声遗传调控的方法，其特征在于，获取换能器的目标位置和夹角信息包括：将换能器焦点处于刺激靶点位置，通过改变换能器的夹角，获取焦点最小、强度最大时的夹角和位置信息。

4.根据权利要求1所述的双频超声无创靶向声遗传调控的方法，其特征在于，进行超声无创靶向声遗传调控包括：

5.一种双频超声无创靶向声遗传调控的系统，其特征在于，用于实施如权利要求1-4任一所述的双频超声无创靶向声遗传调控的方法，所述系统包括：微泡动力学计算模块、声场仿真模块、机械臂模块、静脉注射模块、声发射模块；

6.根据权利要求5所述的双频超声无创靶向声遗传调控的系统，其特征在于，所述微泡动力学计算模块包括：第一构建单元、第二构建单元、第三构建单元和分析单元；

7.根据权利要求5所述的双频超声无创靶向声遗传调控的系统，其特征在于，所述声场仿真模块中获取换能器的目标位置和夹角信息包括：

8.根据权利要求5所述的双频超声无创靶向声遗传调控的系统，其特征在于，所述声发射模块中，基于加载的所述最优超声刺激参数，靶向控制微泡的空化，释放声遗传病毒，使所述声遗传病毒在靶区内表达。

技术总结本发明涉及一种双频超声无创靶向声遗传调控的方法及系统，包括：基于微泡参数和超声参数频率，确定最优超声刺激参数；基于所述最优超声刺激参数，对换能器进行声场仿真，获取换能器的目标位置和夹角信息；基于所述目标位置和夹角信息移动换能器，将混合后的微泡与声遗传病毒注射到目标体内；注射到目标体内后，基于所述最优超声刺激参数，并根据仿真信息将换能器移动到指定位置和夹角，进行超声无创靶向声遗传调控。技术研发人员：靳杰,索鼎杰,闫天翼,刘新泽,纪镇祥,闫子龙,康安顺受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6