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新聞資訊

來源:MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

基于芯片的技術可以產生具有高分辨率和高強度的聲音輪廓,這可能會為超聲治療創造新的選擇,這將變得更加有效和容易。由馬克斯·普朗克智能系統研究所和斯圖加特大學的Peer Fischer領導的一組研究人員開發了一種投影儀,該投影儀可以用較少的技術工作來靈活地調制三維超聲場。因此,可以以比當前技術所允許的更高的分辨率和聲壓來生成動態聲壓曲線。為個體患者量身定制超聲圖譜將很快變得更加容易。超聲的新醫學應用甚至可能出現。

超聲在醫學和材料科學中被廣泛用作診斷工具。它也可以用于治療。例如,在美國,子宮和前列腺腫瘤用高功率超聲治療。超聲波通過對病變組織進行特殊加熱來破壞癌細胞。全球研究人員正在使用超聲波來對抗腦部的腫瘤和其他病理變化。 “為了避免損害健康組織,必須精確調整聲壓分布”,馬克斯·普朗克智能系統研究所研究組負責人,斯圖加特大學教授Peer Fischer解釋說。在腦部,要為患病的組織定制密集的超聲場要困難一些。這是因為顱蓋扭曲了聲波。 Fischer小組的研究人員開發的空間超聲調制器(SUM)應該有助于糾正這種情況,并在其他情況下使超聲治療更有效,更容易。它可以使即使是非常強烈的超聲波的三維形狀也能以高分辨率變化,而且比目前調制超聲曲線所需的技術工作更少。

10,000像素的高強度聲壓曲線

常規方法使用幾個單獨的聲源來改變聲場,聲波可以疊加并彼此相對移動。但是,由于不能隨意地使各個聲源小型化,因此這些聲壓分布的分辨率被限制為1000像素。這樣,聲音發射器是如此之小,以至于聲壓足以用于診斷,但不能滿足治療目的。利用這項新技術,研究人員先會產生超聲波,然后獨立調節其聲壓曲線,實際上是“一石二鳥”。 “以此方式,我們可以使用功能更強大的超聲換能器,”博士后研究員Kai Melde解釋說,他是開發SUM的團隊的成員。 “借助具有10,000像素的芯片來調制超聲波,我們可以生成分辨率更高的曲線”。

“為了調節聲壓分布,我們利用了水和空氣的不同聲學特性”,Fischer小組的博士后研究員Zhichao Ma說,他在開發新的SUM技術方面發揮了作用:超聲波穿過不受阻礙的液體,被氣泡完全反射”。斯圖加特的研究團隊因此構建了一個拇指大小的芯片,在該芯片上,它們可以通過在10,000個薄水膜中的電極上進行電解(即通過電將水分解為氧氣和氫氣)而產生氫氣泡。每個電極的邊緣長度都小于十分之一毫米,可以單獨控制。

如果使用換能器(一種微型揚聲器)將超聲波發送到芯片,則超聲波將不受阻礙地通過芯片。但是,一旦聲波與氫氣泡撞擊水,它就會繼續僅通過液體傳播。就像面罩一樣,這會產生聲壓分布,并在氣泡所在的位置處有切口。為了形成不同的聲音輪廓,研究人員先將氫氣泡從芯片上清除掉,然后以新的模式產生氣泡。

研究人員通過將字母寫在一種聲壓分布圖的圖片顯示中,證明了這種新型的超聲波投影機的工作原理是精確而可變的。為了使字母清晰可見,他們在各種聲壓分布中捕獲了微粒。根據聲音模式,粒子將自己排列成單個字母。

用于藥物測試的類器官模型

對于相似的圖像,與Peer Fischer,Kai Melde和Zhichao Ma合作的科學家以前曾安排了具有聲壓分布的微粒,他們使用稍有不同的技術對其進行了建模。他們使用特殊的塑料模版,使超聲波的壓力曲線像全息圖一樣變形,并將小顆粒以及液體中的生物細胞排列成所需的圖案。但是,塑料全息圖僅提供靜止圖像。對于每種新圖案,他們都必須制作不同的塑料模板。使用超聲波投影儀,斯圖加特團隊能夠在大約10秒內產生新的聲音輪廓。全息圖開發團隊的負責人凱梅德(Kai Melde)說:“使用其他芯片,我們可以大大提高幀速率。”

該技術不僅可以用于診斷和治療目的,還可以用于生物醫學實驗室。例如,將細胞安排到類器官模型中。Fischer說:“這類類器官生物能夠對活性藥物成分進行有用的測試,因此至少可以部分替代動物實驗。”

原文鏈接:https://www.mpg.de/15488241/ultrasonic-projector-medicine?c=2249

聲明:本文由 Newfellow 編譯,中文內容僅供參考,一切內容以英文原版為準。


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