声学所揭示纵横波模式转换对经颅聚焦超声场和温度场的影响

经颅聚焦超声(transcranial focused ultrasound, tcFUS)是一项针对脑部疾病的无创超声治疗技术，目前正在蓬勃发展，在微无创治疗颅内肿瘤、神经调控、神经退行性疾病治疗、血脑屏障打开、颅内靶向药物输运等方面具有广泛的应用前景。

近期，中国科学院声学研究所超声技术中心博士生王祥达等人通过引入波场分离方法，建立仿真模型，首次分析了纵横波模式转换对经颅聚焦超声场和聚焦超声引起的温度场的影响。相关研究成果已发表于Chinese Physics B(DOI: 10.1088/1674-1056/27/2/024302)。

颅骨是制约经颅聚焦超声发展和迈向临床应用的最大障碍。颅骨的强非均匀性会导致焦点偏移或者散焦，颅骨与周边介质较大的声阻抗差异会导致颅骨及其周围组织灼伤。

为解决由颅骨引起的经颅聚焦超声两大难题，须依赖经颅聚焦超声建模仿真。通过经颅聚焦超声建模仿真，可以校正焦点偏移和散焦问题，同时可监测和抑制颅骨及其周围生物软组织的过热灼伤问题。

传统的经颅聚焦超声建模仿真主要使用流体声波方程，并未考虑超声波入射到颅骨中会发生纵横波的模式转换。近几年，考虑颅骨中纵横波模式转换效应的经颅聚焦超声场的建模仿真得到一定的发展，然而，对于经颅聚焦超声场引起的温度场，考虑模式转换效应影响的研究则基本没有。

王祥达等人引入波场分离方法，建立经颅聚焦超声场和温度场的耦合模拟器，首次从仿真上分析了纵横波模式转换对经颅聚焦超声场和聚焦超声引起的温度场的影响。

研究结果表明，如果忽略模式转换效应，颅骨处声能量沉积以及聚焦超声引起的颅骨温度上升会被低估，同时，焦域处声强聚焦增益以及温升则会被高估；剪切波贡献了相当一部分的颅骨处的声能量沉积以及温升。

该研究为预测和监控经颅聚焦超声技术中颅骨的过热灼伤问题提供了更加准确的建模仿真手段，有助于推动经颅聚焦超声技术迈向临床应用。

该研究得到了国家自然科学基金委的项目支持。

图1 基于颅骨CT扫描和线性插值的三维颅骨模型重构

图2 模式转换对经颅聚焦超声场和温度场的影响分析曲线