本發(fā)明涉及超聲神經(jīng)調(diào)控，特別是涉及一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、神經(jīng)調(diào)控是指通過物理、化學(xué)或生物的方法調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的活動，以達到治療疾病或改善某種生理功能的目的。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在醫(yī)療和研究中應(yīng)用廣泛，尤其是在治療慢性疼痛、帕金森病、癲癇和抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面具有重要意義。目前，經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱交流電刺激、經(jīng)顱直流電刺激等非侵入性神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)精神疾病的治療。然而，空間分辨率和穿透深度限制了這些技術(shù)的應(yīng)用。經(jīng)顱聚焦超聲傳輸一種機械能形式，可以通過顱骨無創(chuàng)地以毫米大小的焦點瞄準腦深部區(qū)域。它以其高分辨率、可控性和無創(chuàng)性等優(yōu)點在醫(yī)學(xué)上得到了廣泛的應(yīng)用。

2、聲遺傳學(xué)(sonogenetics)是指使用基因編碼的超聲波響應(yīng)介質(zhì)對神經(jīng)活動進行非侵入性和選擇性控制。它是通過基因插入外源性介質(zhì)誘導(dǎo)細胞類型特異性神經(jīng)調(diào)節(jié)，使靶向神經(jīng)元對超聲具有敏感性。聲遺傳是研究神經(jīng)回路的一個很有前途的工具?！俺曔z傳學(xué)”的概念在2015年被提出。簡單來說，就是利用基因操作技術(shù)，在神經(jīng)元上表達機械力敏感的受體，賦予細胞對超聲刺激的敏感性，超聲刺激也就具備了對細胞或組織的特異性。通過細胞類型特異性基因表達實現(xiàn)通過結(jié)合細胞內(nèi)機械敏感機制(例如離子通道)的靶向表達和超聲的精確遞送，實現(xiàn)全腦尺度腦區(qū)分辨的精準神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操控，具有高時空分辨率和準確深部腦靶向的非侵入性刺激。

3、雖然超聲神經(jīng)調(diào)控和聲遺傳近幾年發(fā)展迅速，但仍存在一下問題。超聲經(jīng)顱會出現(xiàn)由于顱骨和腦組織聲阻抗不匹配的問題，難以實現(xiàn)更高精度的調(diào)控。且超聲神經(jīng)調(diào)控最終要應(yīng)用于人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床治療，但目前實驗研究階段機械敏感通道介導(dǎo)的精準神經(jīng)調(diào)控將目的基因通過aav病毒作為載體過表達于神經(jīng)元上(聲遺傳)。現(xiàn)有技術(shù)在在調(diào)控精度、生物安全性和醫(yī)學(xué)倫理方面，此技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用伴隨巨大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法及系統(tǒng)，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，包括：

4、基于微泡參數(shù)和超聲參數(shù)頻率，確定最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，其中，所述微泡參數(shù)包括：微泡的直徑和微泡包膜材料；

5、基于所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，對換能器進行聲場仿真，獲取換能器的目標位置和夾角信息；

6、將微泡與聲遺傳病毒混合均勻，并注射到目標體內(nèi)，使混合液在血液中循環(huán)；

7、注射到目標體內(nèi)后，基于所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，并根據(jù)仿真信息將換能器移動到指定位置和夾角，進行超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控。

8、可選地，確定所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)包括：

9、通過耦合單個微泡在超聲激勵下的動力學(xué)模型與微泡包膜模型，構(gòu)建包膜微泡動力學(xué)模型；

10、通過非線性聲場方程，構(gòu)建非線性聲場模型；

11、結(jié)合所述包膜微泡動力學(xué)模型和所述非線性聲場模型，構(gòu)建非線性聲場下的包膜微泡動力學(xué)模型；

12、基于所述非線性聲場下的包膜微泡動力學(xué)模型，分析雙頻超聲在不同聲壓、不同幅度、不同相位組合下空化閾值變化，同時結(jié)合所述超聲頻率信息，確定所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)。

13、可選地，獲取換能器的目標位置和夾角信息包括：將換能器焦點處于刺激靶點位置，通過改變換能器的夾角，獲取焦點最小、強度最大時的夾角和位置信息。

14、可選地，進行超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控包括：

15、靶向控制微泡的空化，釋放聲遺傳病毒，使聲遺傳病毒在靶區(qū)內(nèi)表達。

16、一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的系統(tǒng)，用于實施所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，所述系統(tǒng)包括：微泡動力學(xué)計算模塊、聲場仿真模塊、機械臂模塊、靜脈注射模塊、聲發(fā)射模塊；

17、所述微泡動力學(xué)計算模塊，用于基于微泡參數(shù)和超聲參數(shù)頻率，確定最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，其中，所述微泡參數(shù)包括：微泡的直徑和微泡包膜材料；

18、所述聲場仿真模塊，用于基于所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，對換能器進行聲場仿真，獲取換能器的目標位置和夾角信息；

19、所述機械臂模塊，用于基于所述目標位置和夾角信息移動換能器；

20、所述靜脈注射模塊，用于將混合后的微泡與聲遺傳病毒注射到目標體內(nèi)；

21、所述聲發(fā)射模塊，用于注射到目標體內(nèi)后，基于所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，并根據(jù)仿真信息將換能器移動到指定位置和夾角，進行超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控。

22、可選地，所述微泡動力學(xué)計算模塊包括：第一構(gòu)建單元、第二構(gòu)建單元、第三構(gòu)建單元和分析單元；

23、所述第一構(gòu)建單元，用于通過耦合單個微泡在超聲激勵下的動力學(xué)模型與微泡包膜模型，構(gòu)建包膜微泡動力學(xué)模型；

24、所述第二構(gòu)建單元，用于通過非線性聲場方程，構(gòu)建非線性聲場模型；

25、所述第三構(gòu)建單元，用于結(jié)合所述包膜微泡動力學(xué)模型和非線性聲場模型，構(gòu)建非線性聲場下的包膜微泡動力學(xué)模型；

26、所述分析單元，用于基于所述非線性聲場下的包膜微泡動力學(xué)模型，分析雙頻超聲在不同聲壓、不同幅度、不同相位組合下空化閾值變化，同時結(jié)合所述超聲頻率信息，確定所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)。

27、可選地，所述聲場仿真模塊中獲取換能器的目標位置和夾角信息包括：

28、將換能器焦點處于刺激靶點位置，通過改變換能器的夾角，獲取焦點最小、強度最大時的夾角和位置信息。

29、可選地，所述聲發(fā)射模塊中，基于加載的所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，靶向控制微泡的空化，釋放聲遺傳病毒，使聲遺傳病毒在靶區(qū)內(nèi)表達。

30、本發(fā)明的有益效果為：

31、本發(fā)明提出了一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控方法及系統(tǒng)，將超聲參數(shù)頻率和微泡參數(shù)輸入到微泡動力學(xué)計算模塊后，計算得出微泡瞬態(tài)空化所需的最小聲壓，同時利用聲場仿真模塊確定兩個換能器的夾角，以得到最小的焦點，根據(jù)計算的夾角，利用雙機械臂模塊調(diào)整換能器夾角與位置，使焦點位于刺激靶點上，最后經(jīng)靜脈注射模塊將微泡與聲遺傳病毒注射到目標體內(nèi)，利用雙頻超聲系統(tǒng)靶向控制微泡的空化，釋放聲遺傳病毒，使該病毒在靶區(qū)內(nèi)表達，實現(xiàn)無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控。

技術(shù)特征：

1.一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，其特征在于，確定所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，其特征在于，獲取換能器的目標位置和夾角信息包括：將換能器焦點處于刺激靶點位置，通過改變換能器的夾角，獲取焦點最小、強度最大時的夾角和位置信息。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，其特征在于，進行超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控包括：

5.一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的系統(tǒng)，其特征在于，用于實施如權(quán)利要求1-4任一所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法，所述系統(tǒng)包括：微泡動力學(xué)計算模塊、聲場仿真模塊、機械臂模塊、靜脈注射模塊、聲發(fā)射模塊；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的系統(tǒng)，其特征在于，所述微泡動力學(xué)計算模塊包括：第一構(gòu)建單元、第二構(gòu)建單元、第三構(gòu)建單元和分析單元；

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲場仿真模塊中獲取換能器的目標位置和夾角信息包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲發(fā)射模塊中，基于加載的所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，靶向控制微泡的空化，釋放聲遺傳病毒，使所述聲遺傳病毒在靶區(qū)內(nèi)表達。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種雙頻超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控的方法及系統(tǒng)，包括：基于微泡參數(shù)和超聲參數(shù)頻率，確定最優(yōu)超聲刺激參數(shù)；基于所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，對換能器進行聲場仿真，獲取換能器的目標位置和夾角信息；基于所述目標位置和夾角信息移動換能器，將混合后的微泡與聲遺傳病毒注射到目標體內(nèi)；注射到目標體內(nèi)后，基于所述最優(yōu)超聲刺激參數(shù)，并根據(jù)仿真信息將換能器移動到指定位置和夾角，進行超聲無創(chuàng)靶向聲遺傳調(diào)控。

技術(shù)研發(fā)人員：靳杰,索鼎杰,閆天翼,劉新澤,紀鎮(zhèn)祥,閆子龍,康安順
受保護的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6