剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。

经颅聚焦超声刺激治疗精神障碍的研究现状及展望

经颅聚焦超声刺激作为一种非侵入性的大脑调控技术,具有无创安全、聚焦区域精准、穿透部位深、易兼容神经影像同步记录的优势。经颅聚焦超声刺激已在治疗特发性震颤、帕金森病、脑肿瘤等疾病中得到应用,但在精神科领域仍发展缓慢。该文对经颅聚焦超声刺激治疗精神障碍的研究现状进行综述,分析目前该技术应用所面临的困境,并对未来做出展望。

经颅聚焦超声刺激的临床研究与应用现状

无创神经调控技术具有无痛、安全、操作可重复等优点,其中经颅聚焦超声刺激以及磁共振引导的聚焦超声刺激方兴未艾;基于热消融和非热学效应,其在难治性特发性震颤的治疗方面已取得了一定的成果,未来的临床应用价值不容小觑。本文对其近期临床研究及应用情况加以综述。

面向经颅聚焦超声的多阵元相控阵关键技术

经颅聚焦超声是一种有效的神经调控技术,具有非侵入性、聚焦靶点多和焦点可调控等优势。但由于颅骨的强声衰减和非均质特性,聚焦超声经颅后存在焦点偏移、焦域能量不足以及颅骨烫伤等问题。多阵元超声相控阵可以修正超声经颅后的相位偏差和幅值衰减,实现准确、有效的颅内聚焦。本文首先介绍了换能器的阵元排布方式,进一步归纳了相控阵激励信号的调控方法,最后对其基础研究和临床应用进行了回顾与展望。

经颅聚焦超声联合微泡开放血脑屏障的数值仿真研究

近年大鼠等动物实验表明经颅聚焦超声联合微泡技术可无创开放血脑屏障实现药物递送,但在临床治疗时由于人体头颅非均质结构及其高声衰减特性,需优化超声经颅聚焦参数和微泡参数。该文基于人头颅CT数据、82阵元相控换能器和血管建立了三维数值仿真模型,研究超声及微泡参数对机械指数和靶区声发射的影响,评估血脑屏障开放程度及组织损伤的可能性。结果表明,声功率和微泡初始密度增大,机械指数和宽带噪声强度增大;频率增大,稳态空化强度增大;当微泡初始半径大于5μm时,稳态空化显著增强。该研究结果为经颅聚焦超声联合微泡技术诱导可控的血脑屏障开放及安全有效递送治疗药物提供了理论数据和技术参考。

经颅聚焦超声联合微泡开放血脑屏障参数的研究进展

血脑屏障(BBB)主要是由脑微血管内皮细胞以及细胞附件紧密连接而成。BBB的完整性有利于阻止分子量> 180 Da的物质进入中枢神经系统(CNS),保护CNS不受有害物质的入侵,但同时也阻止大量有效药物的进入,影响药物的疗效。因此,如何安全、有效地开放BBB成为近年来研究的重点。近年来大量实验表明,经颅聚焦超声联合微泡可以有效、无创地开放BBB,但是由于实验条件、聚焦超声参数、微泡种类、计量等不统一,并没有确定聚焦超声开放BBB的统一标准。本文将对经颅聚焦超声联合微泡开放BBB的研究进行归纳终结,以期为临床研究和运用提供支持。

基于交错网格时域有限差分法的经颅聚焦超声模拟器实现

本文建立了一套经颅聚焦超声场模拟器。在该模拟器中,大脑的CT扫描文件被用来重建三维颅脑模型。该模拟器通过求解Kelvin-Voigt方程来模拟经颅聚焦超声场,所使用的数值方法是空间四阶精度、时间二阶精度的交错网格时域有限差分法。周期性波传播和圆形活塞轴线声压分布验证了本文模拟器的准确性和有效性。

经颅聚焦超声技术在神经外科中的应用与研究进展

对国内外经颅聚焦超声技术的最新进展进行综述,介绍了在经颅聚焦超声中常用的换能器类型、刺激参数与超声作用机理,并对经颅聚焦超声在神经外科中的应用进行了分析,探讨了未来可能的研究方向。

基于相控阵合成孔径的颅骨轮廓快速测量算法研究

作为一项新兴的神经调控技术,经颅聚焦超声技术目前广泛应用于脑深部的神经调控与治疗中。颅骨的异形和声参数的极大差异性是导致聚焦超声穿透颅骨后实际焦点的偏移和焦域散焦的主要原因。本研究以合成孔径技术为基础,由相控阵发射超声信号并接收于颅骨内外轮廓反射的回波信号,同时计算得到颅骨轮廓点坐标,实现对颅骨轮廓的快速测量。建立仿真模型,并利用颅骨仿体对算法进行仿真与实验验证。仿真结果表明,颅骨模型外轮廓中心区域的最大探测误差为0.15 mm,边缘区域为0.4 mm;内轮廓中心区域最大探测误差为0.3 mm,边缘区域为0.5 mm。实验结果表明:颅骨仿体外轮廓中心区域的最大探测误差为0.4 mm,边缘区域为0.8 mm;内轮廓中心区域最大探测误差为0.6 mm,边缘区域为0.9 mm。所设计的颅骨轮廓快速测量算法能够实现在2 min内完成颅骨内外轮廓的精确测量,并控制最大测量误差在1 mm以内。与核磁共振扫描(MRI)以及电子计算机断层成像(CT)相比,降低了治疗成本和治疗时间,同时为下一步调整相控阵阵元发射延时,实现在颅内的实时精确聚焦,提供了新的方法和思路。

经颅聚焦超声刺激联合认知训练在重症颅脑损伤患者康复中的应用效果

目的观察经颅聚焦超声刺激联合认知训练在重症颅脑损伤患者康复中的应用效果。方法采用前瞻性随机对照研究。抽取2021年1月至2022年12月于郑州大学第一附属医院接受康复治疗的80例重症颅脑损伤患者作为研究对象,采用随机数字表法将其分为对照组与观察组,每组40例。对照组采用认知训练,观察组在对照组基础上加用经颅聚焦超声刺激。比较两组患者治疗前后的血清学指标[脑源性神经营养因子(BDNF)水平]、神经功能[美国国立卫生研究院卒中量表(NIHSS)评分,改良Rankin评分量表(mRS)评分]、认知功能[蒙特利尔认知评估量表(MoCA)评分]和生活自理能力[日常生活能力量表(ADL)评分]。结果治疗后,两组BDNF水平、MoCA评分、ADL评分均高于治疗前,且观察组上述指标高于对照组(P<0.05);治疗后,两组NIHSS、mRS评分均低于治疗前,且观察组低于对照组(P<0.05)。结论重症颅脑损伤患者采用经颅聚焦超声刺激联合认知训练可以有效改善神经功能和认知功能,提高生活自理能力。

HIFU经颅治疗中降低颅骨声压的仿真研究

研究颅骨超声治疗声压和温度预测问题,高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound,HIFU)经颅脑肿瘤治疗中,由于在颅骨处可能形成声压和温度较高的热点,引起颅骨及周边组织损伤。为解决上述问题,利用Westervelt声传播方程近似式及Pennes生物热传导方程,以凹球面八圆环相控换能器和人体头颅CT数据建立的仿真模型为例,结合时间反转法,分析讨论经颅HIFU形成的声压场和温度场。研究结果表明,降低热点声压及温升的同时可实现在颅内目标靶区中聚焦;在该数值仿真模型中,在凹球面八圆环相控换能器的一维可变焦范围内均可实现颅内聚焦和颅骨热点处声压和温升的降低。

相控阵激励信号对经颅HIFU焦域影响的仿真研究

目的:研究相控阵激励信号对高强度聚焦超声(HIFU)经颅骨聚焦形成焦域的影响,解决HIFU经颅聚焦焦点偏离并对颅骨及其周边组织造成热损伤的问题。方法:基于时间反转法提出利用互相关关系调制阵元激励信号相位及幅值的方法,根据临床实际建立人头颅CT数据和相控阵的三维头颅数值仿真模型,以时域有限差分法数值仿真HIFU经颅形成的声压及温度场,分析相控阵激励信号对HIFU经颅形成焦域的影响。结果:通过调制相控阵激励信号的相位,可使HIFU在设定焦点处聚焦;通过调制激励信号的幅值,可使焦点处最大声压和最高温度升高;通过调制不同环阵元激励信号的幅值,可降低聚焦时颅骨处的温度。结论:调制相控阵激励信号可实现经颅HIFU精准高效聚焦,增大在焦点处的声能量聚积;调制不同环阵元激励信号的幅值,可降低颅骨的温度,防止对颅骨周边组织造成热损伤。

神经调控技术在帕金森病治疗中的应用研究进展

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一种常见的神经系统退行性疾病,以静止性震颤、运动迟缓、肌强直、姿势异常为主要临床特征。多巴胺能药物是治疗PD的主要药物,但长期使用会使患者出现药效减退,甚至发生异动症、“开-关”现象等不良反应。神经调控技术是一种通过电能、磁场、超声等方式来兴奋或抑制大脑神经元活动、调节神经可塑性变化,从而达到治疗、改善疾病的生物医学工程技术。在PD的非药物治疗方面,神经调控技术作为一类新型的治疗手段,显示出了良好的疗效并具有不良反应少、易耐受等优点。基于此,该文针对脑深部电刺激、经颅磁刺激、经颅直流电刺激、经颅聚焦超声等常见神经调控技术在PD治疗中的应用研究进展进行综述。

基于脑电的多模态神经功能成像新技术研究进展

神经功能成像能够实现活体脑结构与功能变化的无创(微创)检测。鉴于头皮脑电具有高时间分辨、便于操作、能直接反映大脑神经生理活动等优点,近年已逐步整合形成脑电-功能磁共振成像(EEG-fMRI)、脑电-近红外光谱(EEG-NIRS)、脑电-经颅聚焦超声(EEG-tFUS)等兼具高时空分辨优势的多模态神经功能成像新技术。从技术原理、技术特征及其在神经功能研究中的最新进展等方面,综述3种新模式的研究现状,论述存在问题与发展趋势,突出多模态神经功能成像新技术在促进脑科学发展中的意义。

基于LM算法的MLP模型及其应用

准确率是衡量MLP模型性能的典型且广泛采用的指标。为了提高MLP模型的准确率,本文分别设计9种激活函数组合、11种模型隐层宽度的MLP模型,通过对比分析MLP模型的验证集MSE确定最优的MLP模型结构;分别采用LM、BFGS、Adam和SGD算法训练MLP模型,通过对比分析MLP模型的测试集MSE,确定最优训练算法。实验结果显示,基于LM算法训练的MLP模型测试集MSE达到2.756e-4,比BFGS算法降低了23.4%,比Adam算法降低了85.6%,比SGD算法降低了97.2%。超声治疗作为一种MLP模型典型应用,获取颅骨的准确声学参数是非侵入性经颅聚焦超声治疗成功的关键,为此提出了一种使用MLP模型基于CT图像准确预测颅骨声参数的方法。

经颅磁共振引导超声聚焦治疗药物难治性特发性震颤的疗效分析

目的探讨经颅磁共振引导超声聚焦(TcMRgFUS)治疗药物难治性特发性震颤患者的临床疗效。方法回顾性分析2019年1月至2020年12月解放军总医院第一医学中心神经外科收治的19例药物难治性特发性震颤患者的临床资料。所有患者均采用TcMRgFUS进行单侧丘脑腹中间核毁损术。术后1、3、6个月对所有患者行临床随访,包括复查头颅MRI,判断病灶的消融情况;行临床震颤评定量表(CRST)评分,评估震颤的缓解情况;同时询问患者术后不良反应的缓解情况。结果19例患者的手术均成功。术后即刻复查头颅MRI,所有患者均可见消融灶,其大小在X、Y、Z轴方向上分别为(5.8±0.9)mm、(6.0±1.3)mm、(6.1±1.7)mm。术后发生感觉障碍14例;味觉减退5例;平衡障碍4例;右手肌力下降1例,8 d后肌力恢复正常。19例患者均获得随访,随访的中位时间为5.0(1.0,6.0)个月。术后6个月,10例患者复查头颅MRI,其消融灶均消失。19例患者CRST总分和治疗手部运动评分均随着随访时间的延长有先降低后增高的趋势(均P<0.001),但术后不同时间点的评分均较术前显著降低(均P<0.05)。存在不良反应的患者,术后3个月基本恢复正常或仅有轻微症状。结论采用TcMRgFUS治疗药物难治性特发性震颤,术后震颤改善较好,且不良反应较少。

磁共振引导聚焦超声在精神障碍中的研究应用进展

经颅磁共振引导聚焦超声是将磁共振成像和聚焦超声相结合的一种新的神经调控技术,具有精准定位、非侵入性的特点且具有多种生物学效应,目前已应用于多种神经精神疾病的干预研究,如强迫症、抑郁症和阿尔茨海默病等,应用前景值得期待。本文中介绍经颅磁共振引导聚焦超声技术的原理以及其在精神障碍中的应用现状。

无创性神经调控技术在双相障碍治疗中的研究进展

双相障碍是一种常见的重性精神疾病,以抑郁和躁狂交替发作为主要表现,其病因复杂,发病机制仍未明确,给家庭和社会造成了极大的疾病负担。目前国内外指南仍以药物治疗为主,但其在降低疾病复发率和自杀率等方面的效果比较有限,因此,亟需新的治疗手段来增效药物治疗。近年来,无创性神经调控技术发展迅速,本文将经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)、重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS)、经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)、经颅聚焦超声(transcranial focused ultrasound stimulation,tFUS)在双相障碍治疗中的相关机制、效果、局限性和未来发展方向进行综述,为优化双相障碍的诊疗提供参考依据。

神经调控技术的研究与应用现状以及未来发展前景

依据世界神经调控学会（International Neuromodulation Society，INS）的定义，神经调控指在科技、医疗和生物工程技术相结合领域内，通过植入性或非植入性技术，采用物理性（如电、磁、声、光等）或化学性作用方式，对中枢神经系统、周围神经系统邻近或远隔部位神经元或神经信号转导发挥兴奋、抑制或调节作用，从而达到改善疾病症状，提高生命质量的目的。