科研报告：透过聚烯烃基头颅植入物在超声引导下实现颅内聚焦超声消融治疗的可行性研究

学术背景

聚焦超声（Histotripsy）是一种非热非侵入式的癌症肿瘤消融技术。其在应用于颅内过程时，受到头骨对超声波显著吸收及反射的限制，需要使用大规模复杂的阵列换能器来克服这一问题。为了解决这一瓶颈，一种聚烯烃基生物兼容头颅修补物被开发出来，旨在减少超声波在进入颅内空间时的失真。但这一方法在高强度聚焦超声治疗（例如Histotripsy）的可行性尚未被充分验证。

来源与作者信息

本文的研究由Lauren Ruger、Maya Langman、Renata Farrell、John H. Rossmeisl、Francesco Prada及Eli Vlaisavljevich执笔完成，所有作者均隶属于Virginia Polytechnic Institute and State University和其他相关研究机构。此论文已被IEEE Transactions on Biomedical Engineering接受，并将在2024年正式发表。

研究流程

研究设计

该研究分为三个主要组件：首先，测量单元换能器在各频率和角度下通过头颅修补物的影响；然后，扩展至多元换能器阵列，以确定更加临床相关的测试条件下的压力损失和焦点失真效果；最后，通过光学成像验证在水和组织模拟凝胶中生成空泡云的能力，并利用红细胞模拟及猪脑组织进行消融实验。

单元换能器的实验

使用500 kHz、1 MHz和3 MHz的定制单元换能器来测量压强波形。单元换能器在90°、120°和135°角度下进行测试，以模拟多元换能器阵列在临床使用中的状况。结果显示，压强损失随频率和角度增大而增加，声音传播速度在不同条件下的测量结果分别为2472 m/s、2234 m/s和2082 m/s。

多元阵列换能器的实验

使用8元素和16元素的多元阵列换能器，通过仿真的“假头骨”实验，记录到在所有条件下，传输失真都大幅度影响换能器的焦点位置。通过应用水听器基的失真校正技术，部分恢复了丢失的压强，最大达到22 MPa。

实验对象与投入器材

所有实验使用4 mm厚的聚烯烃基头颅修补物。使用的仪器包括定制高压脉冲发生器、微米级高精度3D机器人定位仪和各种类型的超声波换能器。

光学与红细胞模拟实验

利用高频光学成像以及红细胞模拟实验，发现即使存在头颅修补物，Histotripsy的空泡云仍可以在水和模拟凝胶中生成，但其形成过程比自由场条件下慢。而在红细胞虚拟样本上，尽管存在显著压强衰减，在高频条件下仍能达到有效消融。

猪脑组织的实验

采用从本地屠宰场取得的猪脑，嵌入脱气的明胶内进行实验。超声成像揭示了清晰的空泡云生成，并且组织完全破碎无细胞结构。

主要结果

这种研究的实验结果证明，聚烯烃基头颅修补物能够作为一个声学窗口，使Histotripsy在头骨内的应用成为可能。尽管存在明显的压强衰减，通过应用水听器基失真校正技术，部分恢复了丢失的压强，并在各种模拟生物条件下得到了有效的消融效果。

结论与意义

该研究结果为进一步优化超声引导的Histotripsy技术，特别是在资源有限或无法获得MRI指导的情形下，为治疗颅内病变提供了可能性。在未来的研究中，有必要改进Histotripsy设备或采用其他技术，如纳米粒子介导的Histotripsy，以增加压力、提高消融效率，并进行更多体内研究以评估其安全性和临床可行性。

突出亮点

1. 修补物创新：首次证实聚烯烃基头颅修补物的应用，不仅对超声成像有效，对高强度聚焦超声治疗也有可行性。
2. 多元角度压力损失研究：阐述了不同频率及角度条件下的压强损失，为多元换能器设计提供了依据。
3. 水听器基失真校正技术：部分恢复了压强损失，展示了在实际应用中改善治疗效果的方法。

其他有价值的信息

该研究部分由Focused Ultrasound Foundation和American Kennel Club Canine Health Foundation资助。研究团队的一部分成员也与相关公司有合作关系，这为研究设备的改进和临床应用奠定了基础。此外，研究过程中实施的失真校正技术和高频脉冲生成方法对于其他超声治疗技术同样具有重要的参考意义。