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脑部低频超声机械治疗原型系统研究。通过21例 ex-vivo 人头骨测试，系统以325 kHz频率实现低焦点偏移（均值1.2 mm）、小焦点体积扩张（均值18%），无需相位校正即可有效穿透颅骨。该设计为结合神经调制与机械治疗（如血脑屏障开放）提供新方案，但临床应用需进一步验证生物安全性及疗效。
Eli Finlinson|Matt Snyder|Tom Riis|Jan Kubanek
美国犹他大学生物医学工程系，地址：36 S Wasatch Dr #3100，盐湖城，84112，犹他州
摘要
经颅聚焦超声技术实现了远程靶向治疗，而这在过去只能通过外科手术来实现。机械疗法因其作用范围有限以及避免了可能对组织和颅骨造成伤害的加热而特别具有吸引力。然而，目前还缺乏用于控制性脑部机械治疗的系统。在这里，我们开发了这样一个系统的原型。该系统的工作频率相对较低，为325 kHz（带宽270–380 kHz），以增强机械效应并最小化焦点偏移、场畸变和声学衰减。我们通过21个离体人类颅骨对系统的经颅性能进行了评估。结果显示焦点偏移较小（平均1.2毫米；最大2.6毫米），焦点体积增加幅度较小（平均增加18%），压力场衰减适中（平均67%）。这些效果是在未进行相位校正的情况下获得的。这些结果表明，工作在较低频率下的系统受颅骨对超声的影响较小，并提供了一个具有潜力用于结合神经调节和机械治疗的原型。然而，要将其应用于临床高强度治疗，还需要进一步的验证，包括体内温度测量和安全性测试。
引言
全球约有三分之一的人受到脑功能障碍的影响[1]，[2]。对于许多患者来说，药物治疗无效且会产生严重的副作用[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。因此，迫切需要能够可靠地到达并调节深层神经结构的非侵入性脑部治疗方法。聚焦超声（FUS）作为一种有前景的技术，可以通过完整的颅骨进行非侵入性能量传递。尽管最初的临床应用基于热损伤[6]，[7]，[8]，[9]，但机械疗法（无论是低强度的（神经调节、血脑屏障开放）还是高强度的（组织粉碎、沸腾组织粉碎）由于具有相对清晰的焦点和较低的意外组织损伤风险而受到关注[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。低强度疗法的优势在于它们是可逆的，而高强度疗法则减少了重复使用的需要。低强度疗法还有助于通过系统评估特定脑区对疾病症状的贡献来引导高强度疗法的应用。这种双重用途为个性化治疗开辟了新的机会，但目前尚缺乏具备这种能力的系统。一个能够提供有效脑部机械治疗的系统必须满足有效性和减少头部对超声影响的标准。就有效性而言，神经调节[16]和与空化相关的效应（血脑屏障开放、局部药物释放[17]）在较低频率下更为有效。使用较低频率还可以减轻头部对超声的干扰。在较低频率下，超声的相位失调和衰减也较轻[18]，[19]，[20]，[21]。因此，下一代机械治疗系统通常应工作在较低频率下。同时，频率应足够高，以便能够聚焦于特定的脑核，例如VIM核（直径约为4毫米[22]，[23]）。多个大型阵列系统，如Insightec的Exablate平台以及其他研究者描述的系统[24]，[25]，已经证明了其在热疗和低强度聚焦超声（LIFU）应用中的有效深度定位能力。基于这些工作和上述考虑，我们开发了一个中心频率为325 kHz的系统，旨在减少颅骨引起的干扰，同时保持足够小的焦点尺寸，适用于LIFU和高强度（HIFU）机械治疗，并尽量减少对明确校正的需求。我们在体外和离体人类颅骨中评估了这些前提。
部分摘要
概述
本研究探讨了工作频率为325 kHz的256个半球形FUS阵列通过人类颅骨进行机械治疗的能力。具体而言，我们表征了该阵列在自由场中的压力输出和导向能力，以及在21个离体人类颅骨（Skulls Unlimited，俄克拉荷马州）中的应用时的衰减、焦点偏移和焦点体积变化。
设备规格
在Field II [26]，[27]中进行的模拟表明，使用两个大型半球形阵列可以抵消
结果总结
在这项研究中，我们评估了使用低频设备原型进行脑部机械治疗的可能性。我们评估了人类颅骨对超声传播关键参数的影响。在21个离体人类颅骨中，我们观察到平均焦点偏移约为1.1毫米，焦点体积仅增加了约17%。这些结果与之前的研究结果相比表现良好（见表1）[30]，[31]，[32]。
作者贡献声明
Eli Finlinson：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源管理，方法论，研究设计，数据分析，概念化。Matt Snyder：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，资源管理，方法论，研究设计，数据分析。Tom Riis：验证，监督，软件。Jan Kubanek：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，监督，资金支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了NIH
RF1NS128569 和 NSF DARE
的支持。作者感谢使用人工智能写作工具来帮助审阅和编辑手稿，以提高其清晰度和可读性。作者对稿件的内容负全责。
