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研究为人脑高保真临床成像的发展铺平了道路

2020-04-25 15:18:20

来源：教育新闻网

伦敦帝国理工学院和UCL研究人员说，他们今天在npj Digital Medicine上发表的概念验证研究为人脑高保真临床成像的发展铺平了道路，该技术可能优于现有技术。与现有的大脑成像方法(如MRI，CT和PET扫描)不同，该技术可以应用于对任何患者进行成像，并且可能适用于对高依赖性患者的连续监测。它可以由相对较小的设备提供，这也有可能使它通过救护车携带起来，并能够在到达医院之前进行快速调查。

研究人员有信心该技术将是安全的，因为声波已经用于超声扫描，并且该技术使用类似的声强。超声波无法轻易穿透骨骼，而设计成可以像头盔一样佩戴的新设备能够克服这一障碍。这种新方法在接受卒中检查的患者中具有特殊价值，卒中是第二大常见死亡原因，也是成人神经系统残疾的最常见原因。在这种情况下，快速，普遍适用的高保真成像至关重要。

帝国大学地球科学与工程学系的主要作者LluísGuasch博士说：“一种已经改变了一个领域的成像技术-地震成像-现在具有改变另一个领域-大脑成像的潜力。”美国国立卫生研究院UCL医院生物医学研究中心主任布莱恩·威廉姆斯教授表示：“这是脑成像领域的非凡而新颖的发展，它具有巨大的潜力，可以在常规临床实践中提供可访问的脑成像，以评估颅脑创伤，中风和各种脑部疾病。

“如果这能兑现其诺言，那将是一个重大进步。这也很好地说明了工程师和临床医生之间的合作如何使用另一科学领域的方法将突破性的创新带入医疗领域。”地球科学家使用地震数据和称为全波形反演(FWI)的计算技术来绘制地球内部的地图。来自地震探测器(地震仪)的地震数据被插入FWI算法中，该算法提取地壳的3D图像，这些图像可用于预测地震并搜索油气储层。

现在，帝国研究人员已将此方法应用于医学成像，开发了一种使用声波的方法，其最终目的是生成大脑的高分辨率图像。他们制造了头盔，内衬一系列声换能器，每个声换能器都通过头骨发送声波。记录通过头部传播的超声能量，并通过头盔将其馈送到计算机中。然后使用FWI分析整个头骨上的声音回响，从而构造内部的3D图像。

研究人员在一个健康的志愿者身上测试了他们的头盔，发现所记录信号的质量足以使算法生成详细的图像，并且他们相信从大脑中散发出来的能量是可以解释的。使用计算机建模，他们还发现他们可以获得声音频率低到足以以安全强度穿透头骨的高分辨率图像。他们基于不同类型的人类大脑组织的特性创建了详细的计算机模拟，以建立声波对合成大脑的高分辨率图像有效的方法。

Guasch博士说：“这是FWI首次应用于人类颅骨内成像的任务。FWI通常在地球物理学中用于绘制地球结构图，但我们由地球科学家，生物工程师和科学家组成的多学科合作团队神经学家正在使用它来创建一种安全，便宜和便携式的方法来生成人脑的3D超声图像。”磁共振成像(MRI)通常是获取大脑高分辨率图像的最佳方法，目前，对许多神经系统疾病(包括中风，脑癌和脑损伤)的研究必不可少。

但是，MRI需要大型，复杂，昂贵，不可携带的机器，冷却至绝对零点以上三度以上，并且不能用于不能严格排除金属植入物或异物的患者。这使得意识潜在改变的患者(例如怀疑中风的患者)难以或不可能紧急使用。研究人员说，如果在人体试验中证明成功，他们的装置将克服这些障碍。

该研究的合著者，UCL的Parashkev Nachev教授说：“这生动地展示了先进医学在医学上的强大功能。将算法创新与超级计算相结合，可以使我们从相对安全，相对安全的位置检索大脑的高分辨率图像。简单，完善的物理学：声波通过人体组织的传播。

MRI的实用性将始终限制其适用性，特别是在及时干预影响最大的急性环境中。神经病学数十年来一直在等待一种新的，普遍适用的成像方式：全波形反转很可能是答案。 ”接下来，研究人员将建立一个用于正常人脑实时成像的新原型，作为可在临床环境中进行评估的设备的第一步。

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