倫敦帝國理工學院和UCL研究人員說，他們今天在npj Digital Medicine上發(fā)表的概念驗證研究為人腦高保真臨床成像的發(fā)展鋪平了道路，該技術可能優(yōu)于現(xiàn)有技術。

與現(xiàn)有的大腦成像方法(如MRI，CT和PET掃描)不同，該技術可以應用于對任何患者進行成像，并且可能適用于對高依賴性患者的連續(xù)監(jiān)測。它可以由相對較小的設備提供，這也有可能使它通過救護車攜帶起來，并能夠在到達醫(yī)院之前進行快速調查。

研究人員有信心該技術將是安全的，因為聲波已經用于超聲掃描，并且該技術使用類似的聲強。超聲波無法輕易穿透骨骼，而設計成可以像頭盔一樣佩戴的新設備能夠克服這一障礙。

這種新方法在接受卒中檢查的患者中具有特殊價值，卒中是第二大常見死亡原因，也是成人神經系統(tǒng)殘疾的最常見原因。在這種情況下，快速，普遍適用的高保真成像至關重要。

帝國大學地球科學與工程學系的主要作者LluísGuasch博士說：“一種已經改變了一個領域的成像技術-地震成像-現(xiàn)在具有改變另一個領域-大腦成像的潛力。”

美國國立衛(wèi)生研究院UCL醫(yī)院生物醫(yī)學研究中心主任布萊恩·威廉姆斯教授表示：“這是腦成像領域的非凡而新穎的發(fā)展，它具有巨大的潛力，可以在常規(guī)臨床實踐中提供可訪問的腦成像，以評估顱腦創(chuàng)傷，中風和各種腦部疾病。

“如果這能兌現(xiàn)其諾言，那將是一個重大進步。這也很好地說明了工程師和臨床醫(yī)生之間的合作如何使用另一科學領域的方法將突破性的創(chuàng)新帶入醫(yī)療領域。”

超越學科

地球科學家使用地震數據和稱為全波形反演(FWI)的計算技術來繪制地球內部的地圖。來自地震探測器(地震儀)的地震數據被插入FWI算法中，該算法提取地殼的3D圖像，這些圖像可用于預測地震并搜索油氣儲層。

現(xiàn)在，帝國研究人員已將此方法應用于醫(yī)學成像，開發(fā)了一種使用聲波的方法，其最終目的是生成大腦的高分辨率圖像。

他們制造了頭盔，內襯一系列聲換能器，每個聲換能器都通過頭骨發(fā)送聲波。記錄通過頭部傳播的超聲能量，并通過頭盔將其饋送到計算機中。然后使用FWI分析整個頭骨上的聲音回響，從而構造內部的3D圖像。

研究人員在一個健康的志愿者身上測試了他們的頭盔，發(fā)現(xiàn)所記錄信號的質量足以使算法生成詳細的圖像，并且他們相信從大腦中散發(fā)出來的能量是可以解釋的。

使用計算機建模，他們還發(fā)現(xiàn)他們可以獲得聲音頻率低到足以以安全強度穿透頭骨的高分辨率圖像。

他們基于不同類型的人類大腦組織的特性創(chuàng)建了詳細的計算機模擬，以建立聲波對合成大腦的高分辨率圖像有效的方法。

Guasch博士說：“這是FWI首次應用于人類顱骨內成像的任務。FWI通常在地球物理學中用于繪制地球結構圖，但我們由地球科學家，生物工程師和科學家組成的多學科合作團隊神經學家正在使用它來創(chuàng)建一種安全，便宜和便攜式的方法來生成人腦的3D超聲圖像。”

潛在的臨床用途

磁共振成像(MRI)通常是獲取大腦高分辨率圖像的最佳方法，目前，對許多神經系統(tǒng)疾病(包括中風，腦癌和腦損傷)的研究必不可少。

但是，MRI需要大型，復雜，昂貴，不可攜帶的機器，冷卻至絕對零點以上三度以上，并且不能用于不能嚴格排除金屬植入物或異物的患者。這使得意識潛在改變的患者(例如懷疑中風的患者)難以或不可能緊急使用。

研究人員說，如果在人體試驗中證明成功，他們的裝置將克服這些障礙。

該研究的合著者，UCL的Parashkev Nachev教授說：“這生動地展示了先進醫(yī)學在醫(yī)學上的強大功能。將算法創(chuàng)新與超級計算相結合，可以使我們從相對安全，相對安全的位置檢索大腦的高分辨率圖像。簡單，完善的物理學：聲波通過人體組織的傳播。

MRI的實用性將始終限制其適用性，特別是在及時干預影響最大的急性環(huán)境中。神經病學數十年來一直在等待一種新的，普遍適用的成像方式：全波形反轉很可能是答案。 ”

接下來，研究人員將建立一個用于正常人腦實時成像的新原型，作為可在臨床環(huán)境中進行評估的設備的第一步。