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使用革命性的地震成像技术对人类大脑进行非常详细的成像

使用革命性的地震成像技术对人类大脑进行非常详细的成像

伦敦帝国理工学院和伦敦大学学院的研究人员表示,他们今天(2020年3月6日)在《npj数字医学》上发表的概念验证研究为开发高保真的人类大脑临床成像铺平了道路,这种成像可能优于现有技术。

与现有的MRI、CT、PET等脑成像方法不同,该技术可以应用于任何患者的成像,适用于高依赖患者的持续监测。它可以由一个相对较小的设备运送,这也可能使它可以通过救护车携带,并能在到达医院之前进行快速调查。

研究人员相信这项技术是安全的,因为声波已经被用于超声波扫描,而这项技术使用的是类似的声音强度。超声波不能轻易穿透骨头,而这种设计成像戴头盔一样的新设备能够克服这一障碍。

使用革命性的地震成像技术对人类大脑进行非常详细的成像

新方法对脑卒中患者有特殊的研究价值。第二常见的死亡原因和成人神经功能障碍的最常见原因;在快速、普遍适用的情况下,高保真成像是必不可少的。

研究报告的主要撰写人、帝国理工学院地球科学与工程系的卢卢·瓜施博士说:“成像技术已经彻底改变了一个领域。地震成像本;现在有可能使另一场革命发生。大脑成像.”

教授布莱恩·威廉姆斯主任NIHR伦敦大学学院医院生物医学研究中心,这部分资助研究,说:“没有,这是一个非凡的大脑成像和小说发展的巨大潜力提供访问脑成像评估大脑的日常临床实践在头部外伤,中风和多种脑部疾病。

如果这能实现它的承诺,那将是一个重大的进步。这也极好地说明了工程师和临床医生之间的合作,利用另一个科学领域的方法,可以为医疗保健带来突破性的创新。

超越学科

地球科学家使用地震数据和一种称为全波形反演(FWI)的计算技术来绘制地球内部的地图。地震探测器(地震检波器)的地震数据被插入到FWI算法中,FWI算法可以提取地壳的三维图像,用于预测地震和寻找石油和天然气的储藏库。

现在,帝国理工学院的研究人员已经将这种方法应用于医学成像,开发出一种利用声波的方法,最终目的是生成大脑的高分辨率图像。

使用革命性的地震成像技术对人类大脑进行非常详细的成像

他们制造了一个头盔,头盔上排列着一组声波传感器,每个传感器都能向头骨发出声波。通过头部传播的超声波能量被记录下来,并通过头盔输入电脑。然后用FWI分析声音在整个头骨的回响,构建一个内部的3D图像。

研究人员在一名健康的志愿者身上测试了他们的头盔,发现记录的信号的质量足以让算法生成一幅详细的图像,而且他们相信来自大脑的散射能量是可以被解释的。

利用计算机建模,他们还发现他们可以获得声音频率足够低的高分辨率图像,以安全强度穿透头骨。

使用革命性的地震成像技术对人类大脑进行非常详细的成像

他们根据不同类型的人类脑组织的特性创建了详细的计算机模拟,以确定声波将有效地构成大脑的高分辨率图像。

高斯博士说:“这是首次将FWI应用于人类颅骨内的成像任务。”FWI通常用于地球物理学中绘制地球的结构,但我们由地球科学家、生物工程师和神经学家组成的多学科协作团队正在使用它来创建一种安全、廉价和可移植的方法,生成人脑的三维超声图像。

潜在的临床使用

核磁共振成像(MRI)通常是获得大脑高分辨率图像的最佳方法,它的使用目前对许多神经疾病的研究至关重要,包括中风、脑癌和脑损伤。

尽管如此,核磁共振成像需要大型、复杂、昂贵、非便携式的机器冷却到绝对零度以上3度,而且它不能用于那些不能严格排除金属植入物或异物存在的病人。这使得意识可能发生改变的患者(如疑似中风患者)很难或不可能紧急使用。

研究人员表示,如果在人体试验中获得成功,他们的设备将克服这些障碍。

使用革命性的地震成像技术对人类大脑进行非常详细的成像

研究报告的合著者、伦敦大学学院的帕拉什科夫·那切夫教授说:“这生动地说明了医学中先进计算的非凡能力。”将算法创新与超级计算相结合,可以使我们从安全、相对简单、已被确认的物理学中检索出大脑的高分辨率图像:声波通过人体组织的传输。

MRI的实用性总是会限制其适用性,尤其是在急性病的情况下,及时的干预是最重要的。几十年来,神经学一直在等待一种新的、普遍适用的成像模式:全波形倒置很可能就是答案。

接下来,研究人员将构建一个新的模型,用于对正常人类大脑进行实时成像,作为在临床环境中进行评估的设备的第一步。

参考文献:人脑全波形反演成像由卢斯·瓜施、奥斯卡·卡尔德隆·阿古多、唐孟兴、帕拉什科夫·纳切夫和迈克尔·华纳合著,2020年3月6日,npj数字医学。

DOI: 10.1038 / s41746 - 020 - 0240 - 8

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