В высокорейтинговом журнале Physics in Medicine and Biology (Q1, IF 3.3) опубликована статья с результатами экспериментальной оценки точности численного моделирования транскраниальной фокусировки ультразвука. Исследование проведено сотрудницей нашей лаборатории Алисой Крохмаль совместно с Университетским Колледжем Лондона.
Транскраниальный ультразвук активно применяется в HIFU терапии нейродегенеративных заболеваний и нейромодуляции, однако его эффективность и безопасность напрямую зависят от точности оценки ультразвукового поля внутри мозга.
В данном исследовании была проведена экспериментальная оценка точности численного моделирования распространения сфокусированного ультразвука через кости черепа ex vivo. В эксперименте измерялись акустические поля после прохождения ультразвука через четыре образца человеческого черепа в диапазоне частот от 270 кГц до 1 МГц, включая импульсный и квазинепрерывный режимы. Для численного моделирования использовался открытый пакет k-Wave, где рассматривались два типа источников:
- голограмма эквивалентного источника, построенная на основе экспериментальных данных;
- и упрощенная модель сферического источника с равномерным распределением давления
Акустические свойства черепа, такие как скорость звука и плотность, определялись по КТ-изображениям, а коэффициент поглощения задавался в соответствии с литературными данными.
Результаты показали, что средняя ошибка моделирования амплитуды пикового давления составила 15%, при этом ошибка позиционирования фокуса достигала 2.7 мм, а ошибка объема фокальной зоны (-6 дБ) — 35%. Наименьшие погрешности наблюдались на средних частотах (500–750 кГц), тогда как на 1 МГц ошибки возрастали из-за сильных аберраций в неоднородных участках черепа. Интересно, что упрощенная модель сферического источника продемонстрировала точность, сопоставимую с голограммой, что открывает возможности для упрощения расчетов в клинической практике. Также выяснилось, что линейная зависимость коэффициента поглощения от частоты не всегда соответствует реальным данным, особенно для пористых образцов.
Исследование подтвердило, что использование k-Wave с КТ-данными позволяет предсказывать положение и форму фокальной зоны с приемлемой точностью, однако ошибки в амплитуде давления, достигающие в отдельных случаях 60%, указывают на необходимость учета индивидуальных свойств черепа и создания дополнительного запаса безопасности при планировании терапии.
Эти результаты имеют важное практическое значение для разработки персонализированных планов лечения и оптимизации вычислительных ресурсов за счет применения упрощенных моделей. В перспективе это позволит повысить точность и безопасность транскраниального ультразвукового воздействия, расширив его применение в клинике.
Подробнее – в тексте публикации. Подробности также представлены в докладах на конференциях «ISTU-2024» и «Волны-2024».
