浙大科研人员研发新技术 突破超声对颅脑成像“禁区”

编者按：本文来自“浙江在线”，作者 曾杨希 柯溢能，36氪经授权转载。

郑音飞副教授课题组 通讯员 卢绍庆 摄

现代医学超声设备可以通过分析身体反射的回波信号，来判断人体组织结构和血流情况。相较CT与核磁共振成像，超声成像实时、无损、低价，且能在术中使用。

然而，长久以来，颅脑成像对超声而言是个“禁区”。因为人类颅骨密度较高，大多数声波都会在进入大脑之前被反射或者吸收。

近日，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院郑音飞副教授课题组创新性地提出一种新技术，通过超声实现了小鼠脑部的高分辨率组织及血流成像。

图片来源于 浙江在线

提高现代超声设备的穿透性能，是超声颅脑成像的关键性难题。研究中，课题组采用超声超材料和平面波造影相结合的方法，提出了一种新型超声脑成像技术。

超声换能器是一种将电磁能转化为机械能(声能)的装置。现代医学超声设备，离不开超声换能器。在临床的超声波检查中，人们常见的B超探头便是超声换能器的实际应用案例。在该项目中，基于相控超声换能器，课题组研发出了一种新型穿颅超声脑成像系统及设备。

同时，由郑音飞课题组配合浙江大学材料科学与工程学院吴勇军教授课题组，还研发出了一种超声超材料。这种超声超材料正是装置于相控超声换能器最外侧，有利于提高超声设备的穿透性能。

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这种超声超材料，有什么作用呢?

课题组做了一个简单且形象的描述，当超声波“翻越”颅骨界面处时，能量会被反射。添加一层超材料后(如图4所示)，由于超材料具有负的等效参数，会形成负向能量“坑”。当超声波“翻越”颅骨界面处时，声波在超材料的“坑”里“积聚”了能量，进而能“翻越”颅骨，成功进入颅内。

“就像骑自行车爬坡，从平坦的路面直接攀爬陡峭的山坡是比较困难的，但是，如果在爬坡之前经历一个下坡加速，再次爬坡就变得容易了。”郑音飞介绍。

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解决了超声波“进入”颅脑的难题，接下来就是成像的问题了。

平面波成像，指一次发射即可得到整个成像区域的信息。结合平面波成像和新型纳米粒造影成像技术，课题组突破性地提出了一种利用平面波造影成像的方法，显著提高了图像的分辨率和灵敏度。

具体而言，课题组研发的相控超声换能器可发射平面波，一次发射即可得到整个成像区域的信息。

同时，针对脑部血管丰富且血流回波微弱的特征，课题组选用了新型纳米粒造影剂(造影剂，是为增强影像观察效果而注入或服用到人体组织或器官的化学制品。)。通过设计优化纳米粒溶液浓度、造影剂注射速度等参量，提升了穿颅超声脑成像的回波能量水平。

郑音飞表示，利用超声超材料结合平面波造影成像技术，实现的小鼠脑部超声超高分辨率成像，使得人类颅脑超声成像成为了一种可能，进而为人类颅脑成像提供了一种新的方向。

这项研究受到“十三五”国家重点研发项目资助。

【延伸阅读】目前颅脑成像的方法

一、计算机X线断层摄影(CT扫描)：CT扫描时，一束X射线穿过头部，感光胶片形成图像。这种方法可以产生脑部剖面成像。

二、正电子发射断层扫描术(PET)：扫描仪通过检测被注射入或被吸入的放射物可以产生脑图像。经常使用的放射性物质包括氧，氟利昂，碳和氮。这些物质进入血液后被输送到使用这些物质的脑区。于是，氧和葡萄糖就会积聚在新陈代谢较活跃的脑区。放射性物质衰变时会发射出一个中子和一个正电子。当正电子撞击电子时，两者都被破坏，放射出两道伽玛射线。伽玛射线检测器记录下发出伽玛射线的脑区。这种方法提供了脑的功能视图。

三、磁共振成像(MRI)：磁共振成像使用无线电频率信号检测，信号产生于磁场中转移的无线电波。它提供了脑的解剖视图。

四、功能磁共振成像(fMRI)：功能磁共振成像对流向特定脑区的血液的变化进行检测。它同时提供脑的解剖和功能视图。

五、血管造影术：在染料被注入血液中后，血管造影术使用一束X射线。这种方法可以提供脑血管图像。