经颅高强度超声的深脑精确聚焦研究

In transcranial high intensity ultrasound focusing, due to the heterogeneity and absorption of skull and brain tissue, together with the nonlinearity of high intensity sound field, focal error and thermal deposition in the skull and surrounding tissue are caused. These problems severely limit the utility of transcranial ultrasound in brain science. The study of acoustic field and accurate focusing with transcranial high intensity focused ultrasound is of great significance. Aiming the problem of media heterogeneity and nonlinearity in transcranial high intensity focused ultrasound, this project will use numerical modeling methods based on nonlinear acoustic wave equations to carry out three dimensional accurate calculation of nonlinear acoustic field coupling with temperature field on high performance computers. The effect of acoustic properties such as media parameters and nonlinear coefficients on acoustic field with time reversal in transcranial deep brain focusing will be studied. Quantitative relationship among absorption and nonlinear coefficients and the acoustic field will be established, and accurate transcranial ultrasound focusing deep inside the brain will be achieved. The study will provide theoretic foundation and technical guidance for the application of high intensity focused ultrasound in skull and brain.

在经颅高强度超声聚焦中，由于颅骨与脑组织的非均匀和吸收特性，以及高强度声场的非线性，导致超声难以穿透颅骨精确聚焦，并带来颅骨升温。这些问题严重限制了经颅超声在脑科学领域的应用，因此高强度超声在颅脑内的声场分布和精确聚焦研究具有重要意义。针对经颅高强度超声聚焦介质非均匀和非线性问题，本项目拟利用基于非线性声波方程的数值模拟方法，在高性能计算平台上进行三维精细网格下的经颅高强度深脑聚焦声场和温度场耦合计算，研究经颅超声介质参数和非线性对时间反转聚焦声场分布的影响，建立介质吸收和非线性系数与聚焦声场主要参量的定量关系，实现经颅高强度超声在脑组织深部的精确聚焦，为高强度聚焦超声在颅脑中的应用提供理论基础和技术指导。

在经颅高强度超声聚焦中，由于颅骨与脑组织的非均匀和吸收特性，以及高强度声场的非线性，导致超声难以穿透颅骨精确聚焦，并带来颅骨升温。这些问题严重限制了经颅超声在脑科学领域的应用，因此高强度超声在颅脑内的声场分布和精确聚焦研究具有重要意义。..针对经颅高强度超声聚焦介质非均匀和非线性问题，本项目的主要研究内容为：建立经颅超声时间反转聚焦模型并数值模拟声场，分析介质参数对超声时间反转聚焦的影响并提出改善聚焦的方法。..为此，项目组建立了一套三维经颅声场和温度场高性能建模仿真软件平台，利用颅脑CT图像对颅脑的声学和热学参数进行了三维建模，利用开发的平台开展了经颅聚焦超声声场的数值模拟计算。通过颅脑声场和温度场的数值仿真计算，得到了部分颅脑组织介质参数对经颅聚焦声场的影响规律，研究发现：非线性在经颅聚焦声场中起增强焦点声压的作用，但影响较小；颅骨对超声的吸收作用显著降低焦点处声压；颅骨中的剪切波在入射角度较大时，会导致明显的颅骨升温和焦点声压降低。在数值仿真结果的基础上，项目组提出了一套经颅超声在深部脑区聚焦的优化方法。采用时间反转法补偿相位偏差可以获得很好的聚焦效果，其中时间反转的计算可以采用流体中的声波方程，以提高计算效率；用射线声学法进一步简化经颅相位调控算法，聚焦效果略有下降，但能够实现实时的经颅聚焦调控。..项目自主开发和优化的三维颅脑声场和温度场数值仿真平台可用于颅脑声场和温度场的建模分析，为下一步经颅超声成像、经颅超声治疗等设备研发提供了有效的建模仿真手段。项目得到的经颅超声聚焦中的声场分布规律和聚焦优化方法有助于颅脑疾病超声诊疗设备的开发。