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使用超音波和振動更好地治療腦部疾病

使用超音波和振動更好地治療腦部疾病
  • 透過頭骨聚焦超音波可以更好地診斷和治療腦部疾病,包括中風、腫瘤和神經退化性疾病。

  • 這種新方法允許超音波聚焦穿過頭骨並進入大腦,比其他方法快 100 倍。

本文發表在喬治亞理工學院研究新聞:

佐治亞理工學院的一組工程研究人員希望利用振動和超音波發現診斷和治療腦部疾病(從腫瘤、中風到帕金森氏症)的新方法。

2019 年啟動的為期五年US$2.95 百萬美元的國家科學基金會(NSF) 計畫已經發表了幾篇期刊文章,這些文章提供了透過頭骨聚焦超音波的有前景的新方法,這可能會導致超音波影像的更廣泛應用—被認為比磁振造影 (MRI) 技術更安全、更便宜。

具體來說,該團隊正在研究廣泛的頻率,涵蓋低頻振動(音頻範圍)和中頻導波(100 kHz 至 1 MHz)到腦部成像和治療中使用的高頻(MHz 範圍)。

喬治亞理工學院喬治·W·伍德拉夫機械工程學院助理教授科斯塔斯·阿瓦尼蒂斯(Costas Arvanitis) 解釋說:「我們正在提出一個獨特的框架,其中融合了不同的研究視角,以解決如何使用聲音和振動來治療和診斷腦部疾病的問題。」佐治亞理工學院和埃默里大學華萊士·H·庫爾特生物醫學工程系。

“每位研究人員都利用自己的專業知識來探索一系列頻率的振動和波如何從大腦中提取信息或將能量集中在大腦上。”

進入大腦是一項艱鉅的挑戰

研究人員表示,雖然某些腫瘤和其他腦部疾病如果位於大腦中心附近,則可以進行非侵入性治療,但許多其他疾病則更難治療。

「大腦的中心部分是最容易接近的;然而,即使你能夠瞄準遠離中心的大腦部分,你仍然必須穿過頭骨,」阿瓦尼蒂斯說。

他補充說,從診斷的角度來看,大腦中僅移動 1 毫米就構成了「巨大的距離」。 科學界廣泛承認大腦的複雜性,每個部分都與不同的功能有關,腦細胞也彼此不同。

佐治亞理工學院和埃默里大學的生物醫學工程助理教授布魯克斯·林賽(Brooks Lindsey) 表示,大腦成像或治療對某些人效果很好,但對另一些人效果不佳,這是有原因的。

「這取決於患者個體的顱骨特徵,」他說,並指出有些人的骨小梁(骨頭的海綿狀多孔部分)稍微多一些,這使得治療更加困難。

研究人員正在利用超音波在多個層面上應對這項挑戰。 Lindsey 的實驗室使用超音波成像來評估顱骨特性,以進行有效的成像和治療。 他說,他的團隊進行了首次研究,使用超音波成像來測量骨骼微觀結構的影響,特別是頭骨內部骨小梁層的孔隙度。

他說:「透過了解聲波透過個體頭骨微觀結構的傳輸,可以對更多人進行腦部非侵入性超音波成像並提供治療。」他解釋說,一種潛在的應用是對血流進行成像中風後大腦中。

動態重新聚焦超音波束

Arvanitis 的實驗室最近發現了一種將超音波聚焦穿過頭骨並進入大腦的新方法,“比任何其他方法快 100 倍”,Arvanitis 說。 他的團隊在自適應聚焦技術方面的工作將使臨床醫生能夠動態調整超音波以更好地聚焦。

「目前的系統很大程度上依賴核磁共振成像,而核磁共振成像又大又笨重,而且極其昂貴,」他說。 「這種方法可以讓你調整和重新聚焦光束。在未來,這可以讓我們設計出成本更低、更簡單的系統,這將使這項技術可供更廣泛的人群使用,並能夠治療大腦的不同部分。 ”

使用“導波”訪問大腦外圍區域

另一個研究小組由佐治亞理工學院機械工程伍德拉夫教授 Alper Erturk 和佐治亞理工學院前同事、科羅拉多大學博爾德分校斯萊德機械工程教授 Massimo Ruzzene 領導,對顱骨力學和振動進行高保真建模基於彈性參數識別。 他們也利用頭骨中的引導超音波來擴大大腦中的治療範圍。 Erturk 和 Ruzzene 都是機械工程師背景,這使得他們對難以到達的大腦區域的振動和導波的探索特別令人著迷。

Erturk 指出,導波也可用於其他應用,例如航空航太和民用結構的損傷檢測。 他說:“複雜骨骼幾何形狀和微觀結構的精確建模,結合嚴格的參數識別實驗,對於擴展大腦可及區域的基本理解至關重要。”

魯澤內將大腦和頭骨與地核和地殼進行了比較,顱骨導波就像地震一樣。 正如地球物理學家利用地球表面的地震資料來了解地核一樣,Erturk 和 Ruzzene 也利用導波在頭骨的外表面產生微小的高頻“地震”,以表徵顱骨的組成部分。

嘗試透過傳統超音波進入大腦外圍會增加顱骨升溫的風險。 幸運的是,諸如顱漏蘭姆波之類的進步越來越被認為可以將波能量傳輸到大腦的該區域。

這些顱導波可以補充聚焦超音波應用,以監測健康疾病引起的顱骨骨髓變化,或透過顱骨屏障有效傳輸聲音訊號,這可以幫助接近轉移瘤並治療目前無法到達的大腦區域的神經系統疾病。

最終,四位研究人員希望他們的工作將使全腦成像可行,同時激發新的醫學影像和治療技術。 除了改變腦部疾病的診斷和治療之外,這些技術還可以更好地檢測創傷和顱骨相關缺陷,繪製大腦功能圖,並實現神經刺激。 研究人員還看到了發現基於超音波的血腦屏障開口用於藥物輸送以管理和治療阿茲海默症等疾病的潛力。

這項研究發表於 超音波在醫學和生物學的應用 2021 年 3 月。



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