О прохождении фокусированного ультразвука через кости черепа

В высокорейтинговом журнале Physics in Medicine and Biology (Q1, IF 3.3) опубликованы результаты, полученные нашей сотрудницей Алисой Крохмаль совместно с Университетским Колледжем Лондона, по экспериментальной оценке точности численного моделирования транскраниального ультразвука.

📖 С текстом публикации можно ознакомиться здесь.
🎙 Подробности также можно послушать в наших докладах с конференций «ISTU-2024» и «Волны-2024» .

Кратко:

🧠 Транскраниальный ультразвук (= распространяющийся через череп) позволяет бесконтактно осуществлять терапию нейродегенеративных заболеваний мозга и нейромодуляцию. Однако из-за большого различия человеческих черепов ограничена точность планирования энергии, проходящей через кость черепа до зоны воздействия.

🔎 В статье исследовалась точность моделирования распространения фокусированного ультразвукового пучка через кости черепа ex vivo (= в лабораторных условиях)

Сравнение численных расчетов с экспериментами показало:
✔️ ошибка определения амплитуды пикового давления составляет в среднем 35%
✔️ ошибка позиционирования фокуса может варьироваться до 2.7 мм

Результаты могут использоваться для планирования безопасного воздействия ультразвуком на мозг.

Подробнее:

Мотивация и цель исследования
🧠 Tранскраниальный ультразвук используется в терапии мозга, включая нейромодуляцию, открытие гематоэнцефалического барьера и HIFU-терапию. Для обеспечения безопасности и эффективности таких методов важно точно оценивать амплитуду и структуру ультразвукового поля внутри мозга.

Это исследование оценивает точность численного моделирования распространения сфокусированного ультразвука через кости человеческого черепа ex vivo (т.е. вне организма, в лабораторных условиях).

Методы
🔊 В реальном эксперименте:
• измерялись акустические поля после прохождения через четыре образца человеческого черепа на частотах от 270 кГц до 1 МГц в импульсном и квазинепрерывном режимах.

💻 В численном эксперименте:
• те же поля моделировались в открытом программном пакете k-Wave, при этом рассматривались два типа источников:
- голограмма эквивалентного источника — на основе измеренных данных;
- упрощенная модель сферического источника — с равномерным распределением давления на поверхности.

При этом акустические свойства черепа (скорость звука, плотность) определялись на основе КТ-изображений, а коэффициент поглощения задавался согласно литературным данным.

Основные результаты

1. Точность моделирования:
   • Средняя ошибка в амплитуде пикового давления — 15%.
   • Ошибка в положении фокуса — 2.7 мм.
   • Ошибка в объеме фокальной зоны (-6 дБ) — 35%.

2. Влияние частоты:
   • Наименьшие ошибки наблюдались на средних частотах (500–750 кГц).
   • На 1 МГц ошибки увеличивались из-за сильных аберраций в неоднородных участках черепа.

3. Сравнение моделей источников:
   • Упрощенная модель сферического источника показала сопоставимую точность с голограммой, что упрощает расчеты для клинического применения.

4. Поглощение в черепе:
   - Линейная зависимость коэффициента поглощения от частоты не всегда соответствовала реальным данным, особенно для пористых образцов.

Выводы:
• Исследование подтвердило, что k-Wave с КТ-данными позволяет предсказывать положение и форму фокальной зоны с приемлемой точностью
• Однако ошибки в амплитуде давления (до 60% в отдельных случаях) указывают на необходимость учета индивидуальных свойств черепа и создания запаса безопасности при планировании терапии.