学术研究报告：人类颅骨内驻波形成的实验与模拟研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Junho Song（所属机构：Sunnybrook Research Institute, Toronto, ON, Canada），合作作者包括Aki Pulkkinen、Yuexi Huang和Kullervo Hynynen。研究发表于*IEEE Transactions on Biomedical Engineering*（2012年2月，第59卷第2期）。

学术背景

研究领域
本研究属于磁共振引导聚焦超声（MRgFUS, Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound）领域，重点探讨低频（230 kHz）半球形相控阵在经颅治疗中形成的驻波（standing wave）现象及其对聚焦效果的影响。

研究动机
- 临床需求：MRgFUS是一种无创治疗脑部疾病（如肿瘤、血栓、血脑屏障开放等）的技术，但颅骨对超声波的衰减和畸变会降低聚焦效率，并可能因驻波导致非目标区域的生物效应（如出血或异常热损伤）。
- 技术争议：此前临床研究发现，小孔径、低频超声设备（如用于溶栓治疗时）可能因驻波引发并发症（如脑出血），而大孔径相控阵的作用尚未明确验证。

研究目标
通过实验与数值模拟，分析不同孔径（72元素与1011元素相控阵）和f值（焦距/孔径比）配置下驻波的形成规律，评估大孔径低f值相控阵在抑制驻波方面的优势。

研究流程

1. 实验设计

研究对象与设备
- 相控阵系统：临床原型MRgFUS系统（ExAblate 4000, Insightec），直径30 cm、曲率半径15 cm的1011元素半球形相控阵，频率230 kHz，支持CT图像驱动的相位校正。
- 实验样本：离体人类颅骨（经甲醛固定并脱气处理），颅底附近开4 cm×4 cm孔以放置光纤水听器（fiber-optic hydrophone）。

实验分组
- 小孔径组：72元素（37.5%切趾，直径10.7 cm，f值1.5）。
- 全孔径组：1011元素（100%切趾，直径30 cm，f值0.5）。

2. 实验方法

• 压力场测量：使用光纤水听器在颅骨内扫描声压分布（扫描范围20 mm×70 mm，分辨率1 mm），记录1 ms脉冲超声（占空比1%，PRF 10 Hz）下的声压波动。
  
• MRI定位：通过3T MRI（GE Signa MR750）确定水听器位置与聚焦点关系，避免碰撞颅骨。
  

3. 数值模拟

• 模型构建：基于CT/MRI数据，采用Gauss-Lobatto-Legendre谱元法（GLL-SEM）求解水-颅骨界面的线性波动方程，空间分辨率0.652 mm，时间分辨率24.6 ns。
  
• 模拟场景：对比完整颅骨与移除颅底的“部分颅骨”模型，分析驻波贡献；模拟8种切趾水平（12.5%~100%）下的声压分布。
  

主要结果

1. 驻波特征

• 小孔径相控阵：在颅底附近观察到明显的驻波条纹（节点与反节点间距约3 mm，对应230 kHz的半波长），声压波动幅度随靠近颅底而增强（图7a、b）。
  
• 全孔径相控阵：聚焦点尖锐，无显著驻波模式（图7c、d），且CT相位校正未影响驻波形成（图8b、c）。
  

2. 数值模拟验证

• 相对驻波波动幅度（RWSF）：小孔径组的RWSF显著高于全孔径组（图12），低f值相控阵可减少驻波振幅波动（如100%切趾时波动幅度最低）。
  
• 颅底反射作用：模拟显示移除颅底后驻波消失（图11），证实颅底反射是驻波形成的主因。
  

结论与意义

科学价值
1. 技术优化：证实大孔径低f值相控阵能有效抑制驻波，提升MRgFUS治疗的安全性。
2. 临床指导：为低频经颅超声设备的设计提供依据，避免因驻波导致的非目标生物效应（如溶栓治疗中的出血风险）。

创新点
- 方法学：首次结合实验与高分辨率GLL-SEM模拟，量化驻波波动与孔径/f值的关系。
- 应用性：提出“全孔径相控阵+低f值”是减少驻波的关键参数，为后续设备开发奠定基础。

局限性
- 实验基于离体颅骨，未考虑活体脑组织的吸收效应（可能进一步减弱驻波）。
- 未系统研究相位校正对驻波的影响，需进一步实验验证。

亮点总结

1. 重要发现：驻波的形成与小孔径、高f值密切相关，而大孔径相控阵可显著抑制该现象。
   
2. 技术新颖性：开发了基于CT/MRI的GLL-SEM模拟框架，实现颅骨内声场的高精度预测。
   
3. 临床相关性：直接回应了此前临床研究中驻波引发并发症的争议，为MRgFUS的优化设计提供实证支持。
   

（注：术语翻译示例：驻波（standing wave）、切趾（apodization）、光纤水听器（fiber-optic hydrophone）、谱元法（spectral element method））