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通往大脑的新途径:超声波成像

2022-11-02 行业资讯

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  图像技术的发展让我们找到了通往大脑的新途径。巴黎医学物理实验室副主任马蒂厄·佩尔诺(Mathieu Pernot)说,大脑的生命线,它的血管网络,就像一棵树。树干从颈部的颈动脉开始,是一对宽阔的通道,然后分成分支,爬到大脑的各个区域。这些通道无休止地分叉成一个由微小血管组成的网络,形成一种天幕。这些血管中最窄的宽度只够一个红细胞通过。在整体层面而言,这些血管类似于树的叶子。

佩尔诺说:“当你想研究‘树的病理’时,通常你不会在树上看到病症,而是在叶子上。”就像树叶一样,大脑中最微小的血管往往首先记录下神经元和突触活动的变化,包括疾病,如癌性脑瘤的新生长。这就是所谓的超高速超声。

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大脑血管网络

  图像技术的发展显示了过去成像技术无法到达的大脑深层区域的活动。标准超声在临床成像中很受欢迎,因为它的微创性、实时性和便携性,并且具备较低的成本。但这项技术本身很少用于研究大脑,部分原因是由于头骨的阻碍(骨头往往会散射超声波),而且该技术太慢,无法检测支持大多数大脑功能的小动脉中的血流。

因此,神经学家大多将其用于检查新生儿,他们的头骨在骨板之间有缝隙,或指导外科医生进行一些脑部手术,在这些手术中通常要切除部分头骨。神经科学研究人员还利用它来研究大脑两个半球之间的功能差异,其依据是主要脑动脉的成像,方法是将设备放在颞骨窗上,即头骨最薄的地方。

  但与标准超声相比,超快超声的速度是成倍的,功率更大,空间更敏感。如果说传统的超声波就像从一个钥匙孔里偷看,那么超高速超声波就像 "打开了整扇门"。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究超声波技术的神经科学家宋说,它不仅可以帮助医生更早地诊断出衰弱的脑部疾病,如脑癌或阿尔茨海默氏症,还可以帮助从事动物模型研究的神经科学家解决重大研究问题,并加速非侵入性脑机接口的开发,如机器人四肢。

  宋说:"如果你谈论神经科学和大脑如何工作,有很多未知的东西。超速超声可以非常精确地追踪大脑信号,记录电路和细胞组在大脑执行从感知到决策的功能时如何互动。"

功能性超声成像通过回声定位的过程发挥作用,这与蝙蝠用于导航的过程相同。超声波的音调太高,人类无法听到,它与体内的组织或细胞发生碰撞并反射出去。然后它们的回声可以被捕获,并用于计算血细胞的位置和速度。返回的超声波的频率揭示了血液在哪里流动,为工作特别努力的大脑区域提供氧气和葡萄糖,或者相反,揭示大脑的哪些部分没有得到它们需要的血液和营养物质。这些图像使研究人员和临床医生能够了解到大脑的哪些部分是活跃的--例如,负责决策的区域--或者哪些部分可能有受损的风险。

在过去十年左右,计算机处理能力的进步使研究人员能够改变超声技术。这些较新的超声系统不再发射单独的光束,而是发出一系列的平面波--一个共同形成平面的超声光束阵列--以不同的角度击中目标。由此产生的图像是比传统的超声波、核磁共振或CT扫描更清晰的多个数量级的合成物,而没有其他成像方法所面临的折衷。

例如,核磁共振机器需要非常强大和昂贵的磁铁来提高其分辨率。新形式的超声也可以比传统的超声工具快100倍,这在医疗紧急情况下特别有用,因为时间是至关重要的。佩尔诺说,这样的速度使超声能够在癫痫发作时进行追踪。

  加州理工学院的博士后撒姆纳·诺曼(Sumner Norman)说:“即使在几年前,这种类型的数据吞吐量也是巨大的,所以你不可能用它做什么。但随着计算机能力赶上需求,超高速超声变得更加可行。”在宋的实验室里,他们的三维超声成像需要大约10兆字节的数据来对每个实验动物的大脑进行三维成像--这与标准清晰度的Netflix流媒体播放1万小时所需的数量相同。

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大脑中的气泡:超声定位显微镜通过将超声波从注入血液中的微观气泡中反弹来拍摄大脑中血流的高分辨率图像

  现在,研究人员拥有了创造这种高速、精细图像的计算能力,他们还可以跟踪细胞的长期运动。巴黎文理研究大学的麦克尔·坦特实验室8月发表的研究报告在微观层面上描述了整个大鼠大脑的活动。这些图像显示了大脑深处光成像无法到达的区域的活动,而且细节惊人--比核磁共振或CT扫描的分辨率细得多。这些图片显示了从一秒到一秒的活动,其尺度可达几千毫米。

在人类身上,超声研究人员正在寻找创造性的方法来绕过头骨的障碍。日内瓦大学的法比安·佩伦及其同事使用了一种造影剂--注入病人血液中的微气泡。一些波仍然与头骨碰撞并散射,但那些通过的波在反弹到气泡时更有可能反射出来。在CT扫描只显示一个圆球的情况下,超声成像使该团队能够放大,直到他们能够准确地确定一个隆起的血管内的湍流。坦特的实验室还通过新生儿颅骨板之间的缝隙发送超声波信号,记录癫痫发作和睡眠期间的大脑活动。

  科学家们还可以切除一小块头骨,以方便用超声波工作。诺曼和他的同事用超声波设备替换了一块多米诺骨牌大小的头骨。大脑中计划运动的一个部分的活动图像显示了猴子何时打算移动手臂。事实上,他们可以预测大约89%的时间的运动方向。这与在头皮上植入电极的方法类似,这种方法可以准确预测大约70%至90%的时间的运动方向。

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微气泡

  你不可能把核磁共振成像机器推到战场上,但你可以设计一个手持设备。超声成像能更好地检测大脑深处的活动,而头皮上的电极很难检测到。电极的侵入性也大得多,可能会造成组织损伤。而研究人员预计,迅速加速的超声能力将带来改进。这些发现去年发表在《神经元》杂志上,可能为将思想转化为行动的机器人肢体铺平道路。超声波成像可以读取大脑活动,揭示出一个人想要如何将他们的手向左移动,而这些数据可以被输入控制机器人手臂的计算机。

  超快超声也可以帮助外科医生,因为他们在手术前通常会移除骨头碎片。华盛顿大学神经外科助理教授辛康现在正在脊柱手术患者身上测试增强型超声波。"如果你今天受伤了,"她说, “你或许会做一个CT或X光,也许还有核磁共振。但这些只产生解剖学图像。它只是告诉你所有的碎片在哪里,以及什么东西在挤压你的软脊髓组织,而追踪血流的成像并不不会被包含在内。”

在她的试点临床试验中,超高速超声被用于手术室,以便医生能够跟踪血液的流动。康的目标是绘制哪些组织仍有血流,这样医生就能知道哪些是可以挽救的,哪些区域仍然肿胀。她希望超声可以指导手术,即使在资源较少的地区。"你不能把核磁共振机器推到战争环境中,对吗?但你可以有一个手持式超声设备,"她说。此外,她还想象出了比探头更容易使用的超声技术:更像一个创可贴的东西。麻省理工学院的研究人员已经开发出薄薄的超声波贴纸,无需医生手持超声波棒就能长期监测器官。

  在巴黎医学物理实验室,佩尔诺希望科学家能够纠正头骨对超声波的影响。他说,就像研究人员可以补偿望远镜镜片的缺陷一样,他们也可以使用一种算法来调整头骨散射超声信号的方式。杜克大学的研究人员姚俊杰说,绘制头骨确切几何形状的X射线可以指导一个关于头骨如何扭曲超声波的模型,他开发了同时使用超声波和光成像的技术。这个模型可以用来纠正超声图像,使它们看起来没有扭曲,就像那里根本没有任何头骨一样。"我不会说不可能克服头骨的障碍,但这将是一个极具困难的挑战,"姚俊杰补充说。

超声波成像仍然在快速发展,新的想法每天都在涌现。诺曼对他的工作进展之快印象深刻--仅仅几年时间,他就从小型动物试验转向大型动物实验,并展示了超声在读取大脑活动方面的潜力,这些活动可以输入计算机。他说:"通常情况下,当你开始一项新技术时,你需要花费数十年的时间才能使它发挥作用。但是当计算机处理速度加快时,超高速超声的好处变得很明显。

  现在,研究人员可以跟随血液的河流深入到大脑。"坦特也说:“我们将因为成像技术的发展来进入一个新的世界。”

AI辅助的CT成像技术

参考文献

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Source: https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20483395

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