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西班牙研究人員開(kāi)發(fā)低成本腦成像3D打印全息鏡頭

時(shí)間:2019-08-09 13:45 來(lái)源:中國(guó)3D打印網(wǎng) 作者:中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀:

      中國(guó)3D打印網(wǎng)8月9日訊,西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的研究人員使用3D打印聲學(xué)全息鏡頭,用于聚焦大腦中的超聲波。在運(yùn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí),該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了具有與中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相匹配的空間分布的聲場(chǎng)。 3D打印鏡頭經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),可以生成可以有效瞄準(zhǔn)大腦區(qū)域的這些區(qū)域。這些鏡片可以實(shí)現(xiàn)更好的腦成像,甚至可以通過(guò)超聲波進(jìn)行藥物輸送。

  大腦成像

      證明通過(guò)頭骨的非侵入性窗口,腦成像處理神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),功能和藥理學(xué)。它對(duì)于診斷腫瘤,代謝疾病和病變至關(guān)重要。繪制人腦的主要技術(shù)包括腦磁圖,伽馬相機(jī),光片顯微鏡和腦電圖。廣泛用于診斷和軟組織成像,超聲波不常用于腦成像。這是由于無(wú)法精確控制聚焦超聲進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。頭骨的折射和衰減產(chǎn)生強(qiáng)烈的相位畸變,防止超聲波聚焦在腦組織上。試圖解決這個(gè)問(wèn)題的方法是使用相控陣來(lái)控制入射超聲以校正穿透顱骨時(shí)的像差。然而,這種方法成本高并且分辨率低。
    穿透頭骨
     瓦倫西亞理工大學(xué)的3D打印全息聲學(xué)鏡片由一塊塑料制成,具有不同的體素尺寸。超聲波基于所使用的體素而不同地衍射。這些衍射波的干涉產(chǎn)生全息圖聚焦到大腦內(nèi)的3D目標(biāo)上。
全息圖生成過(guò)程
全息圖生成過(guò)程。 (a)CT + MRI斷層圖像。 (b)選擇作為虛擬聲源和全息記錄表面(藍(lán)色區(qū)域)的目標(biāo)(紅色體積)。 (c)使用TR反向傳播場(chǎng)的透鏡設(shè)計(jì)。 (d)從全息透鏡(紅色區(qū)域)向目標(biāo)組織(藍(lán)色體積)的正向傳播。圖片來(lái)自瓦倫西亞理工大學(xué)。
      該研究始于制作頭骨和大腦的計(jì)算機(jī)模型。研究人員從開(kāi)源CAT掃描中提取出人類(lèi)頭骨的幾何和聲學(xué)特性。還收集了來(lái)自MRI的數(shù)據(jù)以檢查來(lái)自大腦的軟組織信息。根據(jù)計(jì)算機(jī)模型,3D打印出真實(shí)的大腦復(fù)制品,也稱(chēng)為顱骨模型。在對(duì)頭骨和大腦進(jìn)行建模后,研究小組隨后設(shè)計(jì)了一種在頭骨內(nèi)彎曲超聲波的方法。使用三種類(lèi)型的全息聚焦,其復(fù)雜度越來(lái)越高:第一種將波聚焦到一個(gè)點(diǎn),第二種聚焦導(dǎo)致彎曲波路徑,第三種導(dǎo)波填充整個(gè)右側(cè)區(qū)域。
      然后研究人員對(duì)上述類(lèi)型的全息聚焦進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。建立在腦內(nèi)創(chuàng)建超聲全息圖所需的聲波被建模。這是通過(guò)將大腦中的虛擬聲場(chǎng)反向傳播到頭骨內(nèi)的一點(diǎn)來(lái)完成的。通過(guò)計(jì)算所需源波的相位和幅度,科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了全息透鏡來(lái)產(chǎn)生具有特定屬性的波。

       然后對(duì)全息鏡頭進(jìn)行3D打印并用顱骨模型進(jìn)行測(cè)試。與計(jì)算機(jī)模擬相比,他們從顱骨模型測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)與理論非常一致。通過(guò)生成復(fù)雜圖案,3D打印鏡頭成功地幫助重新聚焦聲束穿透顱骨。然后,光束可以有效地靶向諸如海馬體的大腦區(qū)域,從而產(chǎn)生更清晰的圖像。

實(shí)驗(yàn)裝置顯示水箱內(nèi)的方框圖和顱骨模型,超聲波源和底部的聲全息圖
實(shí)驗(yàn)裝置顯示水箱內(nèi)的方框圖和顱骨模型,超聲波源和底部的聲全息圖。圖片來(lái)自瓦倫西亞理工大學(xué)。

       中國(guó)3D打印點(diǎn)評(píng):該研究有望導(dǎo)致低成本治療和中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像。全息透鏡還能夠通過(guò)有針對(duì)性地輸送超聲波來(lái)改變神經(jīng)活動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)超聲觸發(fā)的神經(jīng)調(diào)節(jié)。 3D打印的全息鏡片也可能對(duì)新的藥物遞送技術(shù)有影響。特別地,這種超聲方法可以潛在地打開(kāi)血腦屏障,其通常阻斷治療阿爾茨海默氏癥的治療藥物。

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