超声声场模拟_3D打印全息透镜聚焦超声在低成本脑成像中的应用

西班牙瓦伦西亚理工大学的研究人员使用3D打印声学全息镜头，用于聚焦大脑中的超声波。在运行计算机模拟时，该团队发现了具有与中枢神经系统结构相匹配的空间分布的声场。3D打印镜片被设计成能够有效地瞄准大脑区域的这些领域。这些镜片可以使大脑成像更好，甚至可以通过超声进行药物传递。

成像大脑

　　通过头骨的非侵入性窗口，脑成像处理神经系统的结构、功能和药理学。它对于诊断肿瘤、代谢疾病和病变至关重要。绘制人脑的主要技术包括脑磁图、伽马相机、光片显微镜和脑电图。

　　超声在诊断和软组织成像中应用广泛，但不常用于脑成像。这是由于无法精确控制聚焦超声进入中枢神经系统。头骨的折射和衰减产生强烈的相位畸变，阻止超声波聚焦在脑组织上。试图解决这个问题的方法是使用相控阵来控制入射超声以校正穿透颅骨时的像差。然而，这种方法成本高且分辨率低。

穿透头骨

　　瓦伦西亚理工大学的3D打印全息声学镜片由一块具有不同的体素尺寸的塑料制成。超声波基于所使用的体素而不同地衍射。这些衍射波的干涉产生全息图聚焦到大脑内的3D目标体积上。

全息图生成过程。(a)CT + MRI断层图像。(b)选择作为虚拟声源和全息记录表面(蓝色区域)的目标(红色体积)。(c)使用TR反向传播场的透镜设计。(d)从全息透镜(红色区域)向目标组织(蓝色体积)的正向传播。图片来自瓦伦西亚理工大学。

　　该研究始于制作头骨和大脑的计算机模型。研究人员从开源CAT扫描中提取出人类头骨的几何和声学特性。还收集了来自MRI的数据以检查来自大脑的软组织信息。根据计算机模型，3D打印出真实的大脑复制品，也称为颅骨模型。

　　在对头骨和大脑进行建模后，研究小组随后设计了一种在头骨内弯曲超声波的方法。使用三种类型的全息聚焦，其复杂度越来越高：第一种将波聚焦到一个点，第二种聚焦导致弯曲波路径，第三种导波填充整个右侧海马。

　　然后研究人员对上述类型的全息聚焦进行了计算机模拟。建立在脑内创建超声全息图所需的声波被建模。这是通过将大脑中的虚拟声场反向传播到头骨内的一点来完成的。通过计算所需源波的相位和振幅，科学家们设计了全息透镜来产生具有特定属性的波。

　　然后对全息镜头进行3D打印并用颅骨模型进行测试。与计算机模拟相比，他们从颅骨模型测试中获得的数据与理论非常一致。

　　通过生成复杂图案，3D打印镜头成功地帮助声束穿透颅骨后重新聚焦。然后，光束可以有效地靶向诸如海马体的大脑区域，从而产生更清晰的图像。

　　这项研究有望为中枢神经系统提供低成本的治疗和影像学检查。全息透镜还能够通过有针对性地输送超声波来改变神经活动，从而实现超声触发的神经调节。3D打印的全息透镜也可能对新的药物递送技术有影响。尤其是，这种超声方法可以潜在地打开血脑屏障，其通常阻断治疗阿尔茨海默氏症的治疗药物。

实验装置显示水箱内的方框图和颅骨模型，超声波源和底部的声全息图。图片来自瓦伦西亚理工大学。

　　通过颅骨聚焦任意超声场的全息图发表于Phys。Rev. Applied 12.它由SergioJiménez-Gambín，NoéJiménez，JoséMaríaBenlloch和Francisco Camarena共同撰写。

来源：3D打印商情往期精彩回顾

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