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超音波醫療投影儀為超音波治療開闢新的可能性

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2020/10/21
斯圖加特的研究人員正在透過調節聲壓曲線使用微粒來寫字母。取決於聲壓,顆粒會收集並形成字母。該團隊使用字母圖像演示了可能主要用於醫學中的超音波調製器的可能性。圖片來源:普朗克研究院

德國馬克斯·普朗克科學促進協會 (下稱“普朗克研究院”) 和斯圖加特大學的研究人員,開發出一種投影儀,該投影儀能夠以相對較少的技術靈活地調製三維超音波場。因此,可以以比當前技術所允許的更高分辨率和聲壓,來生成動態聲壓曲線。不久的將來,為個體患者定製超音波剖面圖應該變得更容易,甚至可能出現超音波的新醫學應用。

910日發表在《自然通訊》期刊。

超音波在醫學和材料科學中被廣泛用作診斷工具,它也可以用於治療。例如,在美國,子宮和前列腺腫瘤用高功率超音波治療。超音波透過特定加熱患病組織來破壞癌細胞。全球研究人員正在使用超音波來對抗腦部的腫瘤和其他病理變化。

「為了避免損壞健康組織,聲壓分佈必須精確定型」,普朗克研究院研究組負責人,斯圖加特大學教授皮爾費雪解釋說。在腦部,要為患病的組織定製密集的超音波場要困難一些,這是因為頭蓋骨使聲波失真。 研究人員開發的空間超音波調製器(SUM)應該有助於糾正這種情況,並在其他情況下使超音波治療更有效、更容易。它甚至可以非常高分辨率地改變超強超音波的三維形狀,並且所需的技術投入,少於調製超聲波輪廓所需的技術。

10,000像素的高強度聲壓曲線
常規方法使用幾個單獨的聲源來改變聲場,聲波可以疊加並彼此相對移動。但是,由於不能隨意地使各個聲源小型化,因此這些聲壓分佈的分辨率被限制為1000像素。如此,聲音發送器是如此之小,以至於聲壓足以用於診斷,但不能滿足治療目的。利用這項新技術,研究人員首先會產生超音波,然後獨立調節其聲壓曲線,進而一石二鳥。

研究團隊利用了水和空氣的不同聲學特性,超音波穿過不受阻礙的液體,被氣泡完全反射。研究團隊因此構建了一個像縮略圖一樣大小的晶片,在該晶片上,它們可以透過在薄水膜中的10,000個電極上進行電解而產生氫氣泡。每個電極的邊緣長度小於十分之一毫米,可以單獨控制。

如果使用換能器將超音波發送到晶片,則超音波將不受阻礙地通過晶片。但是,一旦聲波與氫氣泡撞擊水,它就會繼續僅通過液體傳播。為了形成不同的聲音輪廓,研究人員首先將氫氣泡從晶片上清除掉,然後以新的方式產生氣泡。

研究人員透過將字母寫在一種聲壓分佈圖的圖片顯示中,證明了這種新型的超音波投影儀的工作原理是精確而可變的。為了使字母清晰可見,他們在各種聲壓分佈中捕獲了微粒。根據聲音模式,粒子將自己排列成單個字母。

用於藥物測試的類器官模型
對於相似的圖像,科學家使用特殊的塑膠模具將超音波的壓力分佈像全息圖一樣變形,並將小顆粒以及液體中的生物細胞排列成所需的圖案。但是,塑膠全息圖僅提供靜止圖像。對於每種新圖案,他們都必須製作不同的塑膠模板。使用超音波投影儀,研究團隊能夠在大約10秒內產生新的聲音輪廓。

該技術不僅可以用於診斷和治療目的,還可以用於生物醫學實驗室。例如,將細胞安排到類器官模型中。費雪莉說:「這類類器官生物使對活性藥物成分進行有用的測試成為可能,因此至少可以代替動物實驗。」