"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍利用3D数值仿真，研究了经颅聚焦超声（tFUS）在不同颅骨孔隙模型下的传播特性，特别是松质骨结构对聚焦效果的影响。研究发现，与均质颅骨模型相比，包含50%和60%孔隙度的模型显著增加了超声波的散射，使得焦点精度降低，并在非目标区域产生了散射热点。实验结果表明，忽略颅骨的松质结构可能导致对声压分布的错误预测，从而影响治疗准确性。本文还通过时间反演技术有效校正了因颅骨结构引起的相位偏差，使聚焦超声在孔隙模型中的焦点偏移量得以控制。研究结论强调了使用孔隙模型的重要性，为未来tFUS设备的设计和优化提供了关键参考。 |
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本文研究了经颅聚焦超声（transcranial Focused Ultrasound，简称tFUS）在脑疾病治疗中的应用潜力，特别关注不同颅骨模型（包括有孔隙结构的松质骨模型）对多阵元相控阵超声换能器声场分布的影响。经颅聚焦超声因其高精度、非侵入性特性，在神经调节、治疗抑郁症、帕金森病等方面展现了前景。然而，由于超声波在颅骨传播时受到反射、散射和衰减的影响，实现对脑部目标区域的精确聚焦仍具挑战。本文通过数值模拟探讨了具有不同孔隙度的颅骨模型如何影响超声波聚焦效果和散射体积，为优化tFUS设备的设计提供了理论依据。
在研究背景部分，作者指出传统的非侵入性脑刺激技术（如经颅磁刺激）主要作用于大脑皮层，且无法精确到深层结构。而tFUS能够高精度地作用于深层大脑区域，但在穿透颅骨时，由于颅骨结构复杂且具有多层次的异质性，使得超声波传播路径中的相位和焦点发生变化。这一现象在更高频率的超声波中尤为显著，因为高频波长更短，更易受松质骨孔隙结构的影响。为了更真实地模拟tFUS穿透颅骨的过程，本文采用了多种颅骨模型，其中包括无孔隙、50%孔隙度和60%孔隙度的模型，以评估不同孔隙度的颅骨对聚焦精度的影响。
作者选取了两种几何特征不同的多阵元相控阵超声换能器，分别具有0.8和1.1的f值（即焦数），阵元数量均为96个。基于MATLAB中的k-Wave工具箱进行数值模拟，研究了各个模型下的声压分布情况。通过计算3D空间中-6dB等值面，作者获得了每种情况下的聚焦体积和散射体积。在无孔隙颅骨模型中，超声波几乎没有散射；而在有孔隙模型中，超声波产生了显著散射，且随着孔隙度增加，散射体积进一步增大。
研究结果显示，不同孔隙度的颅骨模型对焦点偏移和散射体积有明显影响。无孔隙模型显示的声场最为集中，焦点几乎没有偏移；而在有孔隙的模型中，超声波传播路径中的散射现象使得焦点位置偏移增加，且形成了多个散射热点。对于焦点体积和散射体积的计算表明，相比无孔隙模型，50%和60%孔隙度的模型增加了散射体积，使得非目标区域受声化作用增强，影响聚焦精度。作者还发现，两种换能器在无孔隙和有孔隙模型中的表现差异显著，较小焦数（f=0.8）的换能器在有孔隙模型中的散射现象较少，聚焦精度和选择性较高。
为克服颅骨结构引起的相位偏差，本文采用了时间反演技术，该方法通过在传导路径上逆向传播声波，校正了超声波在不同层次结构中的相位差异。实验结果表明，时间反演技术在各类颅骨模型中均显著减少了焦点偏移，证明该技术在复杂结构环境下的有效性。尽管焦点位置受到孔隙度影响，但焦点偏移量在经过时间反演校正后依然维持在较小范围内，进一步验证了时间反演技术对提高tFUS聚焦精度的重要性。
本文的讨论部分深入分析了颅骨孔隙结构对tFUS聚焦效果的影响。作者指出，忽视颅骨的松质结构可能会造成声场分布的失真，尤其在高频下，忽略松质骨的数值模型将掩盖实际中的散射热点，导致超声波非目标区域的声化现象，从而影响治疗的精确性和安全性。同时，结果也表明，尽管增加孔隙度会改变散射体积和焦点体积的比例，但这些变化对焦点偏移的影响较小，这意味着孔隙度对焦点位置的影响程度可能低于其对声场分布的影响。通过对焦点体积和散射体积的计算，作者进一步强调了使用多层次、具有松质结构的颅骨模型对于精确预测tFUS设备性能的重要性。
结论部分总结了研究的主要发现，强调了孔隙结构在tFUS声场模拟中的关键作用。忽视松质结构可能会导致对声场分布的错误估计，进而影响tFUS在神经调节和治疗中的应用效果。对于未来的研究，作者建议在实验验证中加入3D打印的多孔和无孔颅骨模型，以进一步考察实际物理模型对tFUS声场分布的影响。
此外，研究还建议将“完全异质”颅骨模型与“二元异质”模型进行对比，以确定前者在tFUS应用中的适用性。尽管目前标准的医疗成像方法尚未达到足够的分辨率以精准捕捉松质骨结构，但作者认为采用与颅骨结构更为接近的数值模型将极大提高tFUS设备设计的可靠性和安全性。
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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