声音、振动的科学能更好地诊断、治疗脑部疾病

佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的一组工程研究人员希望利用振动和超声波发现诊断和治疗从肿瘤、中风到帕金森氏症等脑部疾病的新方法。

在2019年开始的五年，200万美元的国家科学基金会（NSF）项目已经导致了几个公布的期刊文章，提供了有希望的新方法来关注超声波超声成像被认为比磁共振成像(MRI)技术更安全、更便宜。

具体而言，该团队正在研究广泛的频率，跨越低频振动（音频范围）和中等频率引导波（100kHz至1 MHz）到脑成像和治疗中使用的高频（在MHz范围内）。

“我们正在提出一个独特的框架，该框架融入了不同的研究视角，以解决您如何使用声音和振动来治疗和诊断脑部疾病乔治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院和华莱士H. Coulter生物医学工程系的助理教授Costas Arvanitis解释说。“每个研究人员都带着自己的专业知识，探索一系列频率的振动和波动如何从大脑中提取信息或将能量集中到大脑中。”

接触大脑是一项艰巨的挑战

研究人员说，虽然有些肿瘤和其他脑部疾病如果发生在大脑中心附近，可以用非侵入性方法治疗，但许多其他疾病很难治疗。

“大脑的中心部分是最容易接近的;然而，即使你能击中大脑中心以外的部分，你仍然需要穿过头骨。”Arvanitis说。

他补充说，从诊断的角度来看，大脑仅移动1毫米就构成了“巨大的距离”。科学界广泛承认大脑的复杂性，每个部分都有不同的功能，脑细胞也各不相同。

据乔治亚理工学院和埃默里大学的生物医学工程助理教授布鲁克斯·林赛说，大脑成像或治疗对某些人有效，但对其他人无效是有原因的。

“这取决于个别患者的头骨特征，”他说，并指出有些人的头骨稍多一些小梁骨吗?骨质疏松多孔的部分?这使得它更难治疗。

使用超声波，研究人员正在对多个层面进行挑战。Lindsey的实验室使用超声成像来评估颅骨特性以进行有效的成像和治疗。他说，他的团队进行了第一次调查，使用超声成像来测量骨髓微观结构的影响 - 具体地，颅骨的内部骨层中的孔隙率程度。

他说:“通过了解声波在个人颅骨微结构中的传输，对大脑进行无创超声成像和治疗可能会在更多的人身上实现。”他解释说，一个潜在的应用可能是对中风后的大脑血流进行成像。

在飞行中重新聚焦超声波

Arvanitis的实验室最近发现了一种新方法，可以将超声波聚焦穿过颅骨并进入大脑，Arvanitis说，这种方法“比其他任何方法都快100倍”。他的团队在自适应聚焦技术方面的工作将使临床医生能够在飞行中调整超声波以更好地聚焦。

他说:“目前的系统很大程度上依赖于磁共振成像，而磁共振成像又大又笨重，而且极其昂贵。”“这种方法可以让你调整和重新聚焦光束。在未来，我们可以设计出成本更低、更简单的系统，使这项技术能够应用于更广泛的人群，并能够治疗大脑的不同部位。”

使用“引导波”进入大脑外围区域

另一位研究队列由Georgia Tech的机械工程机械工程教授，前格鲁吉亚科技同事Massimo Ruzzene，科罗拉多州大学机械工程师队的机械工程教授，采用振动进行头骨骨力学的高保真建模基于弹性参数识别。它们还利用头骨中的引导超声波展开大脑中的治疗包络。Qerturk和Ruzzene是由背景的机械工程师，这使得他们对难以到达的脑区振动和引导波的探索，特别是令人着迷。

Erturk指出，导波被用于航空航天和民用结构的损伤检测。他说:“精确建模复杂的骨骼几何结构和微结构，结合参数识别的严格实验，对于扩展大脑可访问区域的基本理解是至关重要的。”

Ruzzene将大脑和头骨与地球的核心和地壳相比，颅导波作为地震。正如地球物理学家在地球表面上使用地震数据理解地球的核心，所以使用导波和ruzzene使用导波在颅骨外表面产生微小的高频“地震”，以表征包括颅骨的内容。

试图通过传统的超声波进入大脑外围会增加颅骨加热的风险。幸运的是，诸如颅漏兰姆波等技术的进步越来越多地被认为是将波能量传递到大脑的那个区域。

这些颅导波可以补充聚焦的超声应用，以监测来自健康障碍的颅骨骨髓的变化，或者通过颅骨屏障有效地传递声学信号，这可以有助于转移和治疗当前无法进入的大脑区域中的神经系统条件。

最终，四名研究人员希望他们的工作将使全脑成像成为可能，同时刺激新的医学成像和治疗技术。除了改变脑部疾病的诊断和治疗，这些技术还能更好地检测创伤和头骨相关缺陷，绘制大脑功能，并进行神经刺激。研究人员也看到了发现基于超声波的血液的潜力脑用于治疗阿尔茨海默氏症等疾病的药物传递屏障。

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