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全息镜头聚焦超声波进行脑成像

发布:HPLlaser    |    2019-08-13 16:58    阅读:244
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西班牙瓦伦西亚理工大学的研究人员开发了一种3D打印全息镜头技术,该技术可将超声波聚焦在大脑中,从而提供更好的脑成像甚至药物输送。

穿透头骨

超声波是一种声波,其频率大于人类可听到的声波,被广泛用于诊断和软组织成像,例如发育中的胎儿。 此外,它可以用作非侵入性治疗技术,其通过聚焦高强度波来消融纤维瘤或破坏癌组织。 然而,在应用于大脑的情况下,这种方法具有挑战性,因为颅骨阻挡和扭曲超声波,防止其聚焦在脑组织上。以前的科学家们已经尝试使用相控阵来控制入射超声以校正穿透颅骨时的像差,但这些像素的像素数量有限并且成本很高。瓦伦西亚理工大学的NoéJiménez领导的研究团队现在已经3D打印了一个镜头,该镜头可以生成复杂的图案,帮助重新聚焦光束穿透颅骨,使其有效地瞄准大脑区域,如海马体,并更清晰地成像。

制造波

镜片包括具有不同体素尺寸的塑料块。每个体素按照稍微不同的方式衍射超声波。这些波的干涉产生全息图,因为它们聚焦在大脑内的3D目标体积上。

测试发明

Jimènez及其同事使用了一个四步流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射线图像提取人类头骨的几何和声学特性。然后,他们使用磁共振成像(MRI)数据检查了大脑本身的软组织信息。这使他们能够生成患者头骨和大脑的计算机模型。在此步骤之后,该团队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,其复杂程度越来越高:一种是将声波聚焦到一个点,另一种是产生弯曲的声波路径,第三种是引导声波进入大脑中的整个右侧海马体。接下来,科学家们模拟了在大脑中创建超声波全息图所需的声波。通过将大脑中的虚拟声场反向传播到头骨外部的点,他们可以计算所需源波的相位和幅度,并设计透镜来产生它们。最后,使用先前获得的CAT扫描和MRI数据,他们制造了一个3D打印的颅骨模型(一个逼真的大脑复制品),用于测试全息镜头。他们从颅骨模型中获得的数据显示出与理论和模拟的良好一致性。

尽管实验数据与理论和模拟之间存在良好的拟合,但由于印刷材料和骨骼之间的密度差异,两者间确实出现了差异。然而,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波聚焦。

这一新概念有望降低一些治疗的成本,例如中枢神经系统成像甚至超声引发的神经调节。更重要的是,它也可能对新的给药技术产生影响。 例如,它具有打开血脑屏障的潜力,而血脑屏障通常阻断治疗阿尔茨海默病的治疗药物。

NoéJiménez(中),来自瓦伦西亚理工大学的主要作者和同事。

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