跳到主要内容

话题

装置和结构

装置和结构

全息镜头聚焦超声以进行脑成像

全息超声波研究人员-1200
瓦伦西亚理工大学(中心)的主要作者和同事NoéJiménez:信贷:NoéJiménez

多亏了研究人员的研究,才可能实现更好的大脑成像甚至药物输送。 瓦伦西亚理工大学 在西班牙。他们开发了一种用于3D打印全息镜头的技术,该技术可以将超声波聚焦在大脑中。

穿透头骨

超声波是一种比人类可听见的频率更高的频率的声波,已广泛用于诊断和成像软组织(例如发育中的胎儿)。此外,它可以用作非侵入性治疗技术,该技术通过聚焦高强度波来消融肌瘤或破坏癌变组织。但是,对于大脑而言,此方法具有挑战性,因为颅骨会阻塞并扭曲超声,从而阻止超声聚焦在脑组织上。

以前的科学家 已经尝试使用相控阵来控制入射的超声波以校正穿透颅骨的像差,但是这些像素数量有限,而且成本很高。由Noé领导 吉门尼斯 瓦伦西亚理工大学的研究人员现在已经3D打印了一个可以产生复杂图案的镜片,以帮助光束在穿透头骨时重新聚焦,从而使其能够有效地瞄准大脑区域(例如海马体),并且图像更清晰。

造浪

镜片由具有不同体素尺寸的塑料块组成。每个体素以略有不同的方式衍射超声波。这些波的干扰会聚焦在大脑内的3D目标体积上,从而形成全息图。

测试发明

吉门尼斯 和同事使用一个四步过程来测试他们的方法。首先,他们使用来自计算机轴向断层扫描(CAT)扫描的开源X射线图像提取了人类头骨的几何形状和声学特性。然后,他们还使用磁共振成像(MRI)的数据检查了大脑本身的软组织信息。这样一来,他们就可以制作患者头骨和大脑的计算机模型。

holographic ultrasound-diagram

在这一步骤之后,研究小组设计了一种在头骨内弯曲超声波的方法。他们使用了三种不同类型的全息聚焦技术,其复杂度越来越高:一种将波聚焦到一个点,另一种导致波弯曲的路径,第三种引导波淹没整个大脑右海马体。

接下来,科学家对在大脑内创建超声全息图所需的声波进行建模。通过将大脑中的虚拟声场向后传播到头骨外部的某个点,他们可以计算所需的源波的相位和幅度,并设计一个透镜来产生它们。

最后,他们使用先前获得的CAT扫描和MRI数据,制造了3D打印的颅骨幻影(真实的大脑复制品),用于测试全息透镜。他们从颅骨模型获得的数据与理论和模拟结果吻合良好。

影响力

尽管实验数据与理论和模拟之间很好地吻合,但由于印刷材料和骨骼之间的密度差异,确实出现了差异。但是,研究人员通过使用全波模拟显示,在现实情况下,仍然可以进行相同的超声聚焦。

这个新概念有望导致低成本治疗,中枢神经系统成像,甚至是超声触发的神经调节。也许,最重要的是,它也可能对新的药物输送技术产生影响。例如,它具有打开血脑屏障的潜力,该血脑屏障通常会在 阿尔茨海默氏病。

研究的完整细节记录在 物理版本已应用。

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者