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实时、无损、低价,可术中使用

浙大科研人员提出一种新型穿颅超声脑成像技术

发布时间:2019-04-15来源:浙大新闻办作者:柯溢能 卢绍庆322

现代医学超声设备是通过分析由身体反射的回波信号来判断人体组织结构和血流情况。相较CT与核磁共振成像,超声成像的优势在于实时、无损、低价,且能在术中使用。然而长久以来,超声对颅脑成像一直是个“禁区”:由于颅骨具有高密度特性,对超声具有极强的衰减和畸变效应,因此常规的超声很难检测到由颅脑反射的回波信息。

提高现代超声设备的穿透性能,是超声颅脑成像的关键性难题,也是浙江大学生物医学工程与仪器科学学院郑音飞副教授课题组的研究方向之一。近日,他们创新性地提出一种基于超声超材料和平面波造影相结合的新型脑成像技术——穿颅超声脑成像。这一成像技术结合了声学等互补介质理论和波束合成逆问题框架,实现了小鼠脑部的高分辨率组织及血流成像。

研究人员了解到,在保证人体不受超声频段损害的前提下,利用超声穿透颅骨是一种挑战物理极限的思维:因声阻抗失配而在颅骨界面处形成的巨大势垒,使得声波的大部分能量都被颅骨反射。郑音飞课题组配合浙江大学材料科学与工程学院吴勇军教授课题组研制的超材料进行颅脑成像,超材料从结构上使得弹性共振回来的超声重新被压回颅骨,仿佛给超声穿上了一件“隐形衣”,从而声波的反射也就控制到了最低。

科研人员还从能量密度角度出发来分析超材料的作用。超材料本身具有负向等效参数,会形成负向能量“坑”,声波在这个“坑”里“积聚”能量,进而“翻越”颅骨的高势垒,成功进入颅内。郑音飞介绍,这就类似于骑自行车爬坡,从平坦的路面直接攀爬陡峭的上峰比较困难,但如果在爬坡前有一个下坡的加速度,再次爬坡就变得容易了。超材料的使用,使得被颅骨反射的大部分能量(约占总能量70%)从理论上降低到0。

解决了超声波“进入”颅脑的难题,接下来就是“出来”成像的问题了。

结合平面波成像和新型纳米粒造影成像技术,课题组突破性地提出利用平面波造影成像方法,显著提高了图像的分辨率和灵敏度。换能器发射平面波,一次发射即可得到整个成像区域的信息,这不仅提升了回波信号的数据量,而且还实现了脑部高分辨率高灵敏度成像。针对脑部血管丰富且血流回波微弱的特征,课题组选用了新型纳米粒造影剂增强回波信号,通过设计优化纳米粒溶液浓度、造影剂注射速度等参量,提升了脑血流的回波能量信号。

郑音飞表示,利用超声超材料结合平面波造影成像技术,实现的小鼠脑部超声超高分辨率成像,使得人类颅脑超声成像成为了一种可能,进而为人类颅脑成像提供了一种新的方向。

这项研究受到“十三五”国家重点研发项目资助。

(文 柯溢能/摄影 卢绍庆)