| 今天的文章中，超哥为大家介绍聚焦于经颅组织碎裂术（transcranial histotripsy）中治疗范围的优化，探讨了其面临的挑战及相应的解决策略。经颅组织碎裂术是一种非侵入性超声治疗技术，旨在通过超声波产生气泡来破坏目标组织，具有广泛的临床应用潜力。然而，当前的治疗范围受到颅骨声学特性和治疗深度的限制，尤其是在颅骨密度比（SDR）较低的患者中，治疗效果显著下降。研究中，使用了750kHz的360元超声阵列，通过实验和声学模拟评估了治疗效果。结果显示，颅骨的厚度、密度和声速等特性对超声传播和气泡生成具有重要影响。为了解决这些问题，研究提出了几种策略，包括优化阵列设计、调整阵列位置以减少超声波的入射角、以及实施幅度校正等。这些策略旨在扩大经颅组织碎裂术的治疗范围，提升其在不同颅骨条件下的有效性。 |
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本研究聚焦于750kHz的360元超声阵列在经颅组织碎裂术（transcranial histotripsy）中的应用，探讨了其治疗范围的优化、面临的挑战以及相应的解决策略。经颅组织碎裂术是一种新兴的非侵入性治疗技术，通过超声波产生气泡以破坏目标组织，广泛应用于大脑病理的治疗。然而，目前的研究和临床应用表明，治疗范围受到颅骨声学特性的限制，特别是在低颅骨密度比（SDR）的患者中，治疗效果显著降低。本研究的目的在于通过实验和声学模拟，评估该超声阵列的性能，提出改进方案以扩展治疗范围，为未来的临床应用提供理论基础。
引言
大脑疾病如脑肿瘤、脑出血等，可能发生在大脑的任何部位，包括靠近颅骨的皮层区域。传统的聚焦超声治疗（FUS）技术主要集中在深层脑结构的治疗，但随着技术的发展，如何安全有效地治疗浅层目标成为了研究的重点。目前的经颅磁共振引导聚焦超声（TcMRgFUS）系统在治疗深部目标时表现良好，但由于颅骨的热效应和声学衰减，近颅骨表面的治疗受到显著限制。因此，本研究旨在探讨经颅组织碎裂术在不同颅骨条件下的适用性，评估其在大脑不同位置的治疗潜力，并提出解决方案。
(a) 示例目标的示意图，显示了额外的电子聚焦调整。期望的目标位置标记为红色“x”，而阵列的几何焦点标记为绿色点。由于颅骨和阵列的尺寸限制，颅骨无法直接与目标位置对齐。因此，颅骨按照图示的位置放置，阵列向后（黑色虚线箭头方向）电子调整了10mm，以便对准目标。(b) 通过颅骨的阵列电子调整配置在前后轴上的压力幅度剖面。每个位置的压力幅度是通过水听器基础的畸变修正测量得到的。
方法
本研究使用750kHz的360元半球形相控阵超声探头，通过对切除的人类颅骨进行实验，评估该系统的治疗效果。研究包括以下几个主要步骤：
超声阵列的构建：研究团队设计并制造了360元的超声阵列，以实现对大脑不同位置的精确治疗。该阵列由高效的压电材料构成，能够产生高达3kV的峰值电压，产生的负压可达1.5 MPa。
实验设置：采用两具切除人类颅骨进行实验，探讨超声波在不同颅骨条件下的传播情况。每个实验中，颅骨样本被固定在特定位置，超声阵列则在水中进行浸没，以减少气泡形成的干扰。
被动气泡成像技术：使用该技术监测气泡的生成与破裂情况，以确定治疗位置的有效性。实验中记录下的声波信号通过后处理分析，提取出气泡崩溃信号，从而评估治疗的成功率。
声学模拟：在8个不同的颅骨模型上进行声学模拟，以探讨超声波在颅骨中的传播及其对治疗效果的影响。通过计算声压损失、入射角等参数，分析超声波在不同深度目标的传输效率。
声速图的横截面，显示了用于声学模拟的8个颅骨，目标位置位于颅骨的中心。(a) - (h)：颅骨 #1 - #8。声速图的空间分辨率为0.5 mm，这由k-Wave模拟的分辨率和CT扫描的分辨率决定。
结果
实验和模拟结果均表明，颅骨的声学特性显著影响超声波的传播和气泡的生成。具体结果如下：
治疗位置的有效性：在高SDR（0.71）且厚度较薄（4.9 mm）的颅骨中，超声阵列能够成功在靠近颅骨表面（如5-12 mm）处生成气泡。而在低SDR（0.35）且厚度较大的颅骨中，气泡的生成距离颅骨表面远达16 mm，且未能在更靠近表面的区域产生气泡。
声压损失分析：通过声学模拟，发现深部目标（约60 mm）与浅部目标（10 mm）之间的声压损失差异显著，浅部目标的声压损失可达95.8%。这主要归因于入射角度的增加以及超声波在颅骨中传播路径的延长。
预焦点气泡的生成：在目标位置接近颅骨表面时，预焦点气泡的生成更为频繁，且可能影响到实际治疗的效果。实验中，多个气泡信号的崩溃时间差异提示需要优化阵列的使用策略。
通过ACE检测在颅骨 #1 (a) 和颅骨 #2 (b) 中指示的治疗范围。灰点：从CT扫描重建的颅骨外表面网格的顶点。绿色点：检测到的目标气泡；橙色星星：检测到的预焦点气泡；红色“X”：未发生气泡事件。
讨论
研究的讨论部分集中在如何克服经颅组织碎裂术治疗中的关键挑战，包括：
颅骨声学特性差异：不同患者的颅骨在大小、形状、厚度和声速等方面存在显著差异，导致超声波在颅骨中的传播效率和治疗效果各不相同。研究建议在设计超声阵列时，需基于大规模颅骨数据进行优化。
入射角的影响：浅层目标的高入射角显著降低了声波通过颅骨的效率。为此，研究提出采用电子聚焦和阵列位置优化相结合的策略，减少入射角度，提高治疗效果。
预焦点气泡问题：预焦点气泡的生成不仅影响到治疗效果，也可能对周围组织造成损伤。因此，研究建议在超声阵列中采用幅度校正方法，以减少不必要的声压集中，确保治疗的精准和安全。
(a) 从单个治疗脉冲产生的代表性冲击波，在目标距离颅骨内表面5毫米的上方位置生成两个在空间和时间上崩溃的气泡事件。蓝色：目标气泡；橙色：预焦点气泡。(b) 相应的目标气泡的时间分辨气泡图。(c) 相应的预焦点气泡的时间分辨气泡图。焦点位于 [0,0,0]，-z 方向为预焦点方向。黄色虚线表示颅骨的外表面。
结论
本研究评估了750kHz、360元超声阵列在经颅组织碎裂术中的治疗效果，验证了该系统在高SDR条件下能够实现有效的治疗。然而，面对低SDR颅骨的限制，未来需要进一步优化超声阵列的设计和使用策略，以实现更广泛的临床适应性。通过针对性的改进，能够更好地满足脑病理的治疗需求，为非侵入性手术开辟新道路。未来的临床试验将基于本研究提出的策略，探索更广泛的应用潜力。
模拟的压力场图，显示了颅骨 #2 中距离颅骨内表面10毫米的上方目标。目标位于 [0,0,0]。顶部行：无畸变校正（AC）；底部行：有畸变校正。白色箭头：颅骨。红色箭头：预焦点压力热点。所有图中的幅度均按阵列输出的总压力300 MPa进行缩放，使用了通过模拟计算的颅骨压力损失比例。
参考文献
Lu, Ning, Ellen Yeats, Jonathan Sukovich, Timothy L. Hall, Aditya Pandey, and Zhen Xu. "Treatment envelope of transcranial histotripsy: challenges and strategies to maximize the treatment location profile." Physics in Medicine and Biology (2024).
"怀长期主义，聊医工科技"
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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