實時、無損、低價,可術中使用

浙大科研人員提出一種新型穿顱超聲腦成像技術

發布時間:2019-04-15來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 盧紹慶322

現代醫學超聲設備是通過分析由身體反射的回波信號來判斷人體組織結構和血流情況。相較CT與核磁共振成像,超聲成像的優勢在于實時、無損、低價,且能在術中使用。然而長久以來,超聲對顱腦成像一直是個“禁區”:由于顱骨具有高密度特性,對超聲具有極強的衰減和畸變效應,因此常規的超聲很難檢測到由顱腦反射的回波信息。

提高現代超聲設備的穿透性能,是超聲顱腦成像的關鍵性難題,也是浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院鄭音飛副教授課題組的研究方向之一。近日,他們創新性地提出一種基于超聲超材料和平面波造影相結合的新型腦成像技術——穿顱超聲腦成像。這一成像技術結合了聲學等互補介質理論和波束合成逆問題框架,實現了小鼠腦部的高分辨率組織及血流成像。

研究人員了解到,在保證人體不受超聲頻段損害的前提下,利用超聲穿透顱骨是一種挑戰物理極限的思維:因聲阻抗失配而在顱骨界面處形成的巨大勢壘,使得聲波的大部分能量都被顱骨反射。鄭音飛課題組配合浙江大學材料科學與工程學院吳勇軍教授課題組研制的超材料進行顱腦成像,超材料從結構上使得彈性共振回來的超聲重新被壓回顱骨,仿佛給超聲穿上了一件“隱形衣”,從而聲波的反射也就控制到了最低。

科研人員還從能量密度角度出發來分析超材料的作用。超材料本身具有負向等效參數,會形成負向能量“坑”,聲波在這個“坑”里“積聚”能量,進而“翻越”顱骨的高勢壘,成功進入顱內。鄭音飛介紹,這就類似于騎自行車爬坡,從平坦的路面直接攀爬陡峭的上峰比較困難,但如果在爬坡前有一個下坡的加速度,再次爬坡就變得容易了。超材料的使用,使得被顱骨反射的大部分能量(約占總能量70%)從理論上降低到0。

解決了超聲波“進入”顱腦的難題,接下來就是“出來”成像的問題了。

結合平面波成像和新型納米粒造影成像技術,課題組突破性地提出利用平面波造影成像方法,顯著提高了圖像的分辨率和靈敏度。換能器發射平面波,一次發射即可得到整個成像區域的信息,這不僅提升了回波信號的數據量,而且還實現了腦部高分辨率高靈敏度成像。針對腦部血管豐富且血流回波微弱的特征,課題組選用了新型納米粒造影劑增強回波信號,通過設計優化納米粒溶液濃度、造影劑注射速度等參量,提升了腦血流的回波能量信號。

鄭音飛表示,利用超聲超材料結合平面波造影成像技術,實現的小鼠腦部超聲超高分辨率成像,使得人類顱腦超聲成像成為了一種可能,進而為人類顱腦成像提供了一種新的方向。

這項研究受到“十三五”國家重點研發項目資助。

(文 柯溢能/攝影 盧紹慶)