人类大脑是人体最为神秘的器官之一，对于大脑的研究一直是科学家们的热门话题，然而，由于大脑深处的位置，传统的医疗检测手段很难直接观察到大脑的内部结构。因此，科学家们一直在寻找更为先进的技术来观测大脑内部结构，以便更好地研究大脑的功能和疾病。
为此，声学所超声实验室博士研究生殷宇昕、黄娟高级工程师、阎守国副研究员及张碧星研究员提出了一种基于微CT图像的相控阵经颅超声聚焦方法。利用微计算机断层扫描（micro-CT）技术，获得了60微米分辨率的微CT图像，并基于k-wave工具箱建立了一个微CT模型，可以可视化骨小梁内的微结构，包括孔隙和骨层。相关研究成果发表于Sensors。
图1 模型中的骨骼结构和声学参数（图/中国科学院声学研究所）
研究人员探究了微CT模型中经颅超声相控阵聚焦的场特性。由于超声波在头骨中被多次散射，从探头到聚焦点的时间延迟计算较为困难。因此，研究人员采用脉冲压缩法和线性调频巴克码计算时间延迟，并在微CT模型中实现相控阵聚焦。通过模拟结果表明，超声损失主要是由骨小梁的微结构散射引起的。使用脉冲压缩法，交叉相关计算的主瓣与副瓣的比值提高了5.53 dB。聚焦质量和时间延迟的计算精度得到了提高。同时，聚焦点处的波束宽度和声压幅度随信号频率的增加而降低。不同深度的聚焦表明，波束宽度随着聚焦深度的增加而扩大，波束偏转聚焦在距离聚焦点9毫米处的聚焦效果保持良好。这表明相控阵方法在深部颅脑中具有良好的聚焦效果和聚焦可调性。此外，通过调节可以将聚焦点处的声压增加8.2％，从而提高聚焦效率。研究人员还进行了初步的实验验证，使用离体头骨进行了实验。实验结果表明，使用脉冲压缩计算时间延迟的相控阵聚焦方法可以显著提高声场聚焦效果，是一种非常有效的经颅超声聚焦方法。
图2 聚焦点处激励信号的接收信号波形和接收信号的互相关计算结果（图/中国科学院声学研究所）
图3 波束偏转以实现不同焦点位置的相控阵聚焦（图/中国科学院声学研究所）
关键词：经颅聚焦超声；脉冲压缩；相控阵；微CT
参考文献：
Yuxin Yin, Shouguo Yan, Juan Huang, and Bixing Zhang. Transcranial ultrasonic focusing by a phased array based on micro CT images. Sensors 2023, 23(24), 9702; DOI: 10.3390/s23249702.
论文链接：