給超聲穿上“隱身衣” 浙大為超聲顱腦成像開出“新藥方”

在現(xiàn)代醫(yī)療中，CT、核磁共振這些掃描成像設(shè)備是診斷時(shí)不可或缺的左膀右臂，它們向人體發(fā)出信號，再通過分析人體反射的回波信號來判斷人體組織結(jié)構(gòu)和血流狀況，“拍片檢查”往往是人們就醫(yī)后的第一步。然而在這些技術(shù)中，超聲成像也是占據(jù)了半壁江山，并且與CT和核磁共振相比，超聲成像具有實(shí)時(shí)、低價(jià)、無損這些明顯的優(yōu)勢，并且能在術(shù)中使用。

然而長久以來，超聲對顱腦成像一直是個(gè)“禁區(qū)”：由于顱骨具有高密度特性，對超聲具有極強(qiáng)的衰減和畸變效應(yīng)，因此常規(guī)的超聲很難檢測到由顱腦反射的回波信息。

給超聲穿上一件“隱身衣”

提高現(xiàn)代超聲設(shè)備的穿透性能，是超聲顱腦成像的關(guān)鍵性難題，也是浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院鄭音飛副教授課題組的研究方向之一。近日，他們創(chuàng)新性地提出一種基于超聲超材料和平面波造影相結(jié)合的新型腦成像技術(shù)——穿顱超聲腦成像。這一成像技術(shù)結(jié)合了聲學(xué)等互補(bǔ)介質(zhì)理論和波束合成逆問題框架，實(shí)現(xiàn)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(zhàn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳勇軍教授課題組研制的超材料進(jìn)行顱腦成像，超材料從結(jié)構(gòu)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(fā)來分析超材料的作用。超材料本身具有負(fù)向等效參數(shù)，會形成負(fù)向能量“坑”，聲波在這個(gè)“坑”里“積聚”能量，進(jìn)而“翻越”顱骨的高勢壘，成功進(jìn)入顱內(nèi)。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(gè)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。

超材料結(jié)合平面波實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像

解決了超聲波“進(jìn)入”顱腦的難題，接下來就是“出來”成像的問題了。

結(jié)合平面波成像和新型納米粒造影成像技術(shù)，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(fā)射平面波，一次發(fā)射即可得到整個(gè)成像區(qū)域的信息，這不僅提升了回波信號的數(shù)據(jù)量，而且還實(shí)現(xiàn)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(qiáng)回波信號，通過設(shè)計(jì)優(yōu)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(jié)合平面波造影成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(jìn)而為人類顱腦成像提供了一種新的方向。

這項(xiàng)研究受到“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助。