医学超声经颅多点动态精细聚焦方法研究

Minimally invasive and noninvasive ultrasound brain intervention techniques appeared in recent years, such as the intracranial high intensity focused ultrasound (HIFU) neurosurgery technique, are now very important tools used in the treatment of neuropsychiatric diseases and for the research on neuroscience. The critical part in them is to compensate the acoustic attenuation and phase distortion caused by the skull. However, the existing transcranial ultrasound focusing method cannot meet the following requirements: 1) using a higher frequency range (1-5MHz) of ultrasound to achieve more precision focusing; 2) synchronously focusing on multiple locations in the deep brain and adjusting the focal points dynamically. To solve these issues, this project intends to achieve the fast simulation of three-dimensional ultrasound intracranial time inversion process based on virtual acoustic source method, with the help of optimizing the solving algorithm of sound propagation equations in inhomogeneous media, and to establish the transmitting sequence of multi-point dynamic ultrasound transcranial focusing. The emphasis of this project is to study the affecting mechanism of various factors on the ultrasound transcranial focusing effect, such as the acoustic properties and special structure of skull, the spatial structure of transducer array, as well as the parameters of ultrasound transmission, for perfecting the three-dimensional reconstruction method of the acoustic model of skull, adjusting the structure design of transducer array, and optimizing the method of dynamic adjustment on focal points. The results of this project will help to promote the development of the ultrasound brain intervention techniques, and thereby providing new supports to the research on neurology and neuroscience.

颅内高强度聚焦超声(HIFU)神经手术等微创/无创超声脑干预技术是近年来新出现的进行神经精神类疾病治疗和神经科学研究的重要手段。其中的关键是解决颅骨所造成的声衰减和相位畸变。但现有的超声经颅聚焦方法还无法满足以下需求：1)使用更高频率范围(1-5MHz)的超声以实现精细聚焦；2)实现对脑深部多个位置的同步聚焦和对焦点的动态调节。为解决这些问题，本项目拟在优化非均匀介质中声传播方程求解算法的基础上，基于虚拟声源法实现对颅内超声三维时间反演过程的快速仿真，并建立多点动态经颅聚焦超声发射序列。本项目的重点，是研究超声经颅聚焦效果受颅骨的特殊结构和声学特性，换能器阵列的空间结构，以及超声发射参数等各种因素的影响机制，完善颅骨三维声学模型重建方法和换能器阵列结构设计，实现和优化焦点的动态调节方法。本项目的研究成果将有助于推动超声脑干预技术的发展，进而为神经医学和神经科学研究提供新的技术支持。

本项目主要进行了下列研究：（1）研究了非均匀介质中超声传播仿真模型及快速算法；（2）实现了基于多虚拟声源的时间反演超声经颅聚焦仿真，研究了颅骨声学特性、换能器结构和超声发射参数等对其效果的影响，优化了颅骨三维声学模型和换能器阵列设计；（3）利用猴颅骨标本验证了仿真实验的结果，进一步确认了各种因素对超声经颅聚焦效果的影响，完善了焦点动态调节方法。经过四年努力，我们针对在包含颅骨的人体复杂声学环境下如何实现多点动态超声经颅聚焦这一核心问题，围绕全颅空间三维声场仿真和可视化软件、颅骨声学参数的测量、基于CT图像对颅骨声学参数的重建、超声经颅多点动态聚焦实验等内容，开展了一系列的研究工作，并取得了丰富的研究成果。结合本领域的国际研究热点和在潜在应用场景中面临的实际问题，团队还实现了反映颅内三维声波场传播的模拟可视化技术，并提出了利用射线声学计算换能器经颅聚焦相位补偿值的快速算法。这部分研究内容大幅提高了本项目的应用潜力，为更直观、快速地预测和实现超声经颅聚焦提供了有效手段。.本项目共计培养和联合培养硕士研究生5名，另有1名博士生和1名联合培养硕士生在读；在SCI收录的国际学术期刊上发表论文6篇；申请发明专利6 项；参加国际学术会议4次并做会议报告5次。.受惠于本项目的顺利开展，负责人王丛知副研究员2019年再次获得了国自然面上项目的支持，并获得2017年度国家技术发明奖二等奖（第三完成人）。此外，本项目的主要成员孟龙、肖杨、李飞副研究员也先后获得了国自然面上项目的支持。本项目相关研究成果和部分专利已经转移至上海绿谷制药公司，作为“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控技术”项目的重要组成部分，推动其向临床应用设备转化。.近年来，超声神经调控及其对神经精神疾病的潜在干预与治疗功能，越来越成为本领域的研究热点。本项目的研究成果将对进一步探索超声神经调控的机制和研发新型科研及临床仪器起到有力的推动作用。