人類大腦是人體最為神秘的器官之一，對于大腦的研究一直是科學(xué)家們的熱門話題，然而，由于大腦深處的位置，傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測手段很難直接觀察到大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，科學(xué)家們一直在尋找更為先進的技術(shù)來觀測大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便更好地研究大腦的功能和疾病。
為此，聲學(xué)所超聲實驗室博士研究生殷宇昕、黃娟高級工程師、閻守國副研究員及張碧星研究員提出了一種基于微CT圖像的相控陣經(jīng)顱超聲聚焦方法。利用微計算機斷層掃描（micro-CT）技術(shù)，獲得了60微米分辨率的微CT圖像，并基于k-wave工具箱建立了一個微CT模型，可以可視化骨小梁內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，包括孔隙和骨層。相關(guān)研究成果發(fā)表于Sensors。
圖1?模型中的骨骼結(jié)構(gòu)和聲學(xué)參數(shù)（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）
研究人員探究了微CT模型中經(jīng)顱超聲相控陣聚焦的場特性。由于超聲波在頭骨中被多次散射，從探頭到聚焦點的時間延遲計算較為困難。因此，研究人員采用脈沖壓縮法和線性調(diào)頻巴克碼計算時間延遲，并在微CT模型中實現(xiàn)相控陣聚焦。通過模擬結(jié)果表明，超聲損失主要是由骨小梁的微結(jié)構(gòu)散射引起的。使用脈沖壓縮法，交叉相關(guān)計算的主瓣與副瓣的比值提高了5.53 dB。聚焦質(zhì)量和時間延遲的計算精度得到了提高。同時，聚焦點處的波束寬度和聲壓幅度隨信號頻率的增加而降低。不同深度的聚焦表明，波束寬度隨著聚焦深度的增加而擴大，波束偏轉(zhuǎn)聚焦在距離聚焦點9毫米處的聚焦效果保持良好。這表明相控陣方法在深部顱腦中具有良好的聚焦效果和聚焦可調(diào)性。此外，通過調(diào)節(jié)可以將聚焦點處的聲壓增加8.2％，從而提高聚焦效率。研究人員還進行了初步的實驗驗證，使用離體頭骨進行了實驗。實驗結(jié)果表明，使用脈沖壓縮計算時間延遲的相控陣聚焦方法可以顯著提高聲場聚焦效果，是一種非常有效的經(jīng)顱超聲聚焦方法。
圖2?聚焦點處激勵信號的接收信號波形和接收信號的互相關(guān)計算結(jié)果（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）
圖3?波束偏轉(zhuǎn)以實現(xiàn)不同焦點位置的相控陣聚焦（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）
關(guān)鍵詞：經(jīng)顱聚焦超聲；脈沖壓縮；相控陣；微CT
參考文獻：
Yuxin Yin, Shouguo Yan, Juan Huang, and Bixing Zhang. Transcranial ultrasonic focusing by a phased array based on micro CT images. Sensors?2023,?23(24), 9702; DOI:?10.3390/s23249702.
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