Мозг человека является сложным объектом для ультразвукового исследования и воздействия из-за наличия костей черепа, которые ослабляют и искажают проходящий через них ультразвуковой пучок (вносят аберрации). Несмотря на это, в последние годы наибольшие клинические успехи в развитии неинвазивной ультразвуковой хирургии (HIFU) связаны именно с проведением операций на мозге с целью разрушения опухолей, лечения эссенциального тремора, симптомов болезни Паркинсона, невротических болей и других заболеваний.
В существующей клинической системе HIFU (Insightec, Israel) планирование воздействия проводится на основе данных заранее проведенной компьютерной томографии (КТ), создания на ее основе акустической модели головы и моделирования фокусировки ультразвука в заданную область мозга с возможностью компенсации аберраций, вносимых неоднородной по толщине структурой костей черепа. При этом само облучение HIFU проводится под МРТ-контролем. Однако на данный момент существующие клинические системы позволяют воздействовать только на центральные области мозга, хотя причины многих заболеваний, в том числе и опухоли, часто локализованы в других областях мозга.
В Лаборатории при сотрудничестве с Университетской клиникой (МНОИ) МГУ:
- ведутся работы по созданию различных по свойствам акустических моделей головы человека с использованием данных томографических (КТ и МРТ) изображений;
- разрабатываются фантомы черепа для физического и численного экспериментов;
- проводится сравнение возможностей компенсации аберраций по данным КТ либо МРТ;
- проводятся эксперименты по коррекции аберраций при фокусировке через уже созданные фантомы черепа с использованием разработанной в Лаборатории мозаичной решетки;
- сравниваются различные методы коррекции: лучевые, основанные на геометрической акустике, которые сегодня применяются в клинической системе, и новые дифракционные методы, позволяющие обеспечить качественную коррекцию в более широком диапазоне глубин фокусировки.
Конечной задачей является создание акустической модели головы человека для развития новых методов неинвазивной ультразвуковой хирургии с использованием нелинейных волн и фантомов черепа, сконструированных с помощью 3D печати.
В последнее время также возрос интерес к исследованиям возможностей диагностики головного мозга через интактный череп. В этом случае компенсацию аберраций, вносимых черепом, можно провести с помощью данных о его толщинном профиле, полученном методами компьютерной томографии (КТ). Актуальной задачей является разработка полностью ультразвукового эхо-импульсного метода визуализации структур головного мозга, в котором толщинный профиль черепа измеряется с помощью ультразвука. Нами проводятся эксперименты по трехмерной реконструкции внешней и внутренней поверхностей черепа при помощи УЗИ, развиваются методы УЗИ-визуализации рассеивающих объектов, находящихся за черепом.
Задачи LIMU
- Коррекция аберраций при фокусировке ультразвука через череп по данным МРТ и КТ-томографии
- Расширение доступной для воздействия области в мозге
- Разработка методов УЗИ-диагностики мозга без необходимости КТ-томографии
Деятельность
- численное моделирование
- эксперименты с фантомами черепа
Контакты
- Алиса Крохмаль
- Дарья Чупова
- Шамиль Асфандияров
- Сергей Алексеевич Цысарь
- Вера Александровна Хохлова
- Олег Анатольевич Сапожников
Подробности
[1] Ultrasound for the Brain: A Review of Physical and Engineering Principles, and Clinical Applications / W. Qiu, A. Bouakaz, E. E. Konofagou, H. Zheng // IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2021;68(1):6-20. DOI: 10.1109/TUFFC.2020.3019932
[2] The use of transcranial focused ultrasound in CNS diseases / M. V. Galkin // Burdenko’s Journal of Neurosurgery. 2016;80(2):108‑118. DOI: 10.17116/neiro2016802108-118
[3] Compensation for aberrations when focusing ultrasound through the skull based on CT and MRI data / D. D. Chupova, P. B. Rosnitskiy, O. V. Solontsov et al. // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 2. — P. 288–298. DOI: 10.1134/s1063771024601651
[4] Compensation for aberrations of focused ultrasound beams in transcranial sonications of brain at different depths / D. D. Chupova, P. B. Rosnitskiy, L. R. Gavrilov, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2022. — Vol. 68, no. 1. — P. 1–10. DOI: 10.1134/S1063771022010018
[5] A comparative study of experimental and simulated ultrasound beam propagation through cranial bones / A. Krokhmal, I. C.Simcock, B. E. Treeby, E. A. Martin // Physics in Medicine and Biology. — 2025. — Vol. 15, no. 70(2) — P. 025007. doi: 10.1088/1361-6560/ada19d
[6] Estimation of the thickness profile of a human skull phantom by ultrasound methods using a two-dimensional array / S. A. Asfandiyarov, P. B. Rosnitskiy, S. A. Tsysar et al. // Acoustical Physics. — 2023. — Vol. 69. — P. 112–118. DOI: 10.1134/S106377102270004X
[7] Simulation of nonlinear trans-skull focusing and formation of shocks in brain using a fully populated ultrasound array with aberration correction / P. B. Rosnitskiy, P. V. Yuldashev, O. A. Sapozhnikov et al. // Journal of the Acoustical Society of America. — 2019. — Vol. 146, no. 3. — P. 1786–1798. DOI: 10.1121/1.5126685
[8] Use of pulse-echo ultrasound imaging in transcranial diagnostics of brain structures / D. A. Sukhoruchkin, P. V. Yuldashev, S. A. Tsysar et al. // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2018. — Vol. 82, no. 5. — P. 507–511. DOI: 10.3103/S1062873818050283
[9] On the possibility of using multi-element phased arrays for shock-wave action on deep brain structures / P. Rosnitskiy, L. Gavrilov, P. Yuldashev et al. // Acoustical Physics. — 2017. — Vol. 63, no. 5. — P. 531–541. DOI: 10.1134/S1063771017050104
[10] A multi-element interstitial ultrasound applicator for the thermal therapy of brain tumors / M. Canney, F. Chavrier, S. Tsysar et al. // Journal of the Acoustical Society of America, 134 2 1647–1655. DOI: 10.1121/1.4812883