低強(qiáng)度聚焦超聲（LIFU）概述

低強(qiáng)度聚焦超聲（LIFU）是一種非侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，其機(jī)理基于使用長脈沖序列（通常為數(shù)百毫秒）的超聲波，中心頻率在200-650 kHz范圍內(nèi)，通過熱機(jī)制或機(jī)械效應(yīng)（如改變神經(jīng)元膜電位或離子通道活性）可逆地興奮或抑制神經(jīng)活動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn)生組織損傷或血腦屏障開放。LIFU的優(yōu)勢包括高空間聚焦性、可逆調(diào)控以及罕見不良反應(yīng)，關(guān)鍵點(diǎn)在于其聲場分布呈典型橢圓形輪廓，長軸垂直于換能器表面，適用于深層腦區(qū)靶向（如靶向丘腦或皮層下結(jié)構(gòu)）。例如，本研究中的tFUS（作為LIFU的代表）使用穩(wěn)態(tài)正弦波，在模擬中顯示出均勻的能量沉積，這為神經(jīng)調(diào)控提供了精確的工具。

HUIYING

TPS（經(jīng)顱脈沖超聲刺激）概述

經(jīng)顱脈沖超聲刺激（TPS）是LIFU的一種變體，其機(jī)理基于單次超短脈沖（約3 μs），重復(fù)頻率為4 Hz，使用高壓力振幅（可達(dá)25 MPa）但低空間峰值時(shí)間平均強(qiáng)度（SPTA ≤ 0.1 W/cm2），通過瞬態(tài)沖擊波機(jī)制調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)，可能優(yōu)先涉及機(jī)械效應(yīng)（如細(xì)胞膜機(jī)械敏感性）而非熱效應(yīng)。TPS的優(yōu)勢包括脈沖持續(xù)時(shí)間短以減少熱積累、臨床顯示在阿爾茨海默病患者中安全有效，關(guān)鍵點(diǎn)在于其聲場分布呈兩個(gè)鏡像的彎月形輪廓，最寬直徑平行于換能器表面，適用于淺層或分散刺激，這可能減少對周圍組織的非特異性影響。

HUIYING

低強(qiáng)度聚焦超聲（LIFU）與TPS對比分析

下表基于文檔內(nèi)容總結(jié)兩種技術(shù)的關(guān)鍵差異，涵蓋波形、聲場特性、模擬參數(shù)和潛在應(yīng)用。數(shù)據(jù)源自文檔中的模擬結(jié)果和表格（如Table 3和Table 4），以確?？茖W(xué)性。

HUIYING

臨床研究：研究方法

本文是一項(xiàng)計(jì)算研究，旨在通過模擬比較tFUS和TPS的聲波傳播，為未來臨床試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

研究方法

本研究采用計(jì)算模擬方法，具體條目如下：

模擬平臺(tái)與方程：使用有限差分時(shí)域（FDTD）模擬平臺(tái)（Sim4Life，Zurich, Switzerland），應(yīng)用Westervelt-Lighthill方程建模超聲傳播，該方程結(jié)合了非線性效應(yīng)和衰減，適用于瞬態(tài)脈沖分析。

模擬環(huán)境：包括兩種設(shè)置——自由水環(huán)境（無組織，用于驗(yàn)證先前結(jié)果）和三維現(xiàn)實(shí)人類頭部模型（基于MIDA數(shù)據(jù)集，分辨率0.5 mm）。頭部模型包含多種組織（如皮膚、脂肪、肌肉、頭骨、腦脊液和腦組織），其聲學(xué)屬性（如聲速、密度和衰減系數(shù)）從IT'IS v4.0數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。

換能器設(shè)計(jì)：使用三種換能器類型——單元素聚焦換能器（SEFT）用于tFUS和TPS，以及TPS專用拋物線換能器。SEFT參數(shù)基于Samoudi et al. (2019)的研究，例如自由水模擬中SEFT的直徑為30 mm、焦距30 mm，頭部模型中SEFT的孔徑為100 mm、曲率半徑120 mm；TPS拋物線換能器則孔徑50 mm、焦距53 mm。這些換能器的幾何形狀差異如圖1所示，它直觀展示了SEFT在自由水和頭部模型中的配置，以及TPS換能器的拋物線特征，確保設(shè)計(jì)可比性。

圖1: 換能器幾何形狀分析

圖1直觀展示了本研究中使用的三種換能器設(shè)計(jì)，是模擬比較的基礎(chǔ)。圖1包括三個(gè)部分：

圖1a部分為自由水環(huán)境中的單元素聚焦換能器（SEFT），其參數(shù)為直徑30 mm、焦距30 mm，用于模擬tFUS和TPS在無干擾條件下的聲波傳播；

圖1b部分為基于MIDA頭部模型的SEFT，參數(shù)調(diào)整為曲率半徑120 mm、孔徑100 mm，以評估組織效應(yīng)；

圖1c部分為TPS專用的拋物線換能器，其孔徑50 mm、焦距53 mm，設(shè)計(jì)基于臨床TPS設(shè)備。

圖1強(qiáng)調(diào)了硬件差異對聲場聚焦的關(guān)鍵影響：SEFT設(shè)計(jì)支持tFUS的深層靶向，而拋物線換能器優(yōu)化了TPS的短脈沖傳播，可能導(dǎo)致更淺的焦點(diǎn)。這為后續(xù)模擬中的聲場輪廓差異（如橢圓形vs彎月形）提供了幾何基礎(chǔ)，并驗(yàn)證了換能器選擇在神經(jīng)調(diào)控中的重要性。

波形參數(shù)：tFUS模擬為穩(wěn)態(tài)正弦波（頻率500 kHz，振幅0.145 MPa或0.813 kPa），TPS模擬為高斯加權(quán)正弦小波（振幅2 MPa，持續(xù)時(shí)間4 μs）。波形選擇基于文獻(xiàn)校準(zhǔn)，以隔離波形差異的影響。

數(shù)值設(shè)置：采用全波時(shí)間依賴方法處理瞬態(tài)脈沖（如TPS），網(wǎng)格分辨率優(yōu)化至1.5 MHz以確保收斂（平均平方誤差<10%），邊界條件使用完美匹配層以減少反射。模擬在工作站上運(yùn)行（32核心，256 GB RAM），確保計(jì)算效率。

HUIYING

臨床研究：研究結(jié)果

研究結(jié)果

研究結(jié)果基于自由水和頭部模型模擬，具體條目如下：

自由水模擬中的聲強(qiáng)分布：tFUS的聲強(qiáng)分布呈典型橢圓形輪廓，長軸垂直于換能器表面，峰值瞬時(shí)強(qiáng)度為474 kW/m2，平均強(qiáng)度為232 kW/m2；FWHM測量顯示波束軸為27 mm，橫向軸為3.8 mm，與先前研究一致。相反，TPS的分布呈兩個(gè)鏡像的彎月形輪廓，最寬直徑平行于換能器，F(xiàn)WHM波束軸為3 mm，橫向軸為6 mm，突出了瞬態(tài)脈沖的分散特性。這些分布差異如圖2所示，其中tFUS部分（圖2c）顯示均勻橢圓形，而TPS部分（圖2d）呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)彎月形；圖片還包含了波形參數(shù)對比（圖2b），強(qiáng)調(diào)了TPS短脈沖的高壓特征。

圖2: 自由水模擬中的聲強(qiáng)分布分析

圖2通過三維模擬對比了tFUS和TPS在自由水環(huán)境中的聲強(qiáng)分布，采樣于YZ平面并通過時(shí)間峰值。

圖2包含多個(gè)子圖：a部分顯示tFUS和TPS使用相同的球形SEFT換能器，確保比較公平；b部分列出波形參數(shù)，tFUS為穩(wěn)態(tài)正弦波（頻率500 kHz，振幅0.145 MPa），TPS為高斯加權(quán)正弦小波（振幅2 MPa，持續(xù)時(shí)間4 μs）；c部分展示tFUS的強(qiáng)度分布（c1平均強(qiáng)度、c2瞬時(shí)強(qiáng)度、c3半高全寬FWHM輪廓），呈現(xiàn)典型的橢圓形輪廓，長軸垂直于換能器表面，峰值瞬時(shí)強(qiáng)度為474 kW/m2；d部分展示TPS的強(qiáng)度分布（d1瞬時(shí)強(qiáng)度、d2 FWHM輪廓），呈兩個(gè)鏡像的彎月形輪廓，最寬直徑平行于換能器表面，F(xiàn)WHM測量顯示波束軸3 mm、橫向軸6 mm。

圖2揭示了波形差異的根本影響：tFUS的長脈沖導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)橢圓形聲場，適合均勻能量沉積；TPS的瞬態(tài)脈沖產(chǎn)生動(dòng)態(tài)彎月形分布，可能增強(qiáng)空間分散性。這為神經(jīng)調(diào)控精度提供了見解，例如TPS的短脈沖或減少熱風(fēng)險(xiǎn)，但焦點(diǎn)較淺。

頭部模型模擬中的聲強(qiáng)分布：在MIDA頭部模型中，tFUS的聲強(qiáng)分布仍保持橢圓形，但峰值強(qiáng)度顯著降低（峰值瞬時(shí)強(qiáng)度為34.8 W/m2，而自由水為474 kW/m2）， due to頭骨衰減；FWHM顯示波束軸24 mm，橫向軸3.75 mm，有輕微扭曲（如橢圓內(nèi)峰值不均）。TPS的分布也維持彎月形，但使用SEFT時(shí)FWHM橫向軸增至7 mm，使用拋物線換能器時(shí)焦點(diǎn)更淺（FWHM波束軸3.5 mm，橫向軸11 mm）。這些結(jié)果如圖3所示，其中tFUS部分（圖3b）顯示在多個(gè)視圖中的一致性，而TPS部分（圖3c-d）凸顯了換能器設(shè)計(jì)的影響；圖片還展示了換能器位置（圖3a），強(qiáng)調(diào)頭部模型中的空間定位。

圖3: 現(xiàn)實(shí)頭部模型模擬中的聲強(qiáng)分布分析

圖3展示了在三維MIDA頭部模型中tFUS和TPS的聲強(qiáng)分布，考慮了組織（如頭骨、腦組織）的衰減和扭曲效應(yīng)。

圖3包括多個(gè)部分：a部分顯示換能器位置（a1相對于MIDA模型的位置，a2半透明頭皮和頭骨以揭示腦組織，a3 tFUS波束輪廓）；b部分為tFUS強(qiáng)度分布（b1平均強(qiáng)度、b2瞬時(shí)強(qiáng)度、b3 FWHM輪廓），在頭部模型中仍保持橢圓形，但峰值強(qiáng)度顯著降低至34.8 W/m2（相較于自由水的474 kW/m2），且出現(xiàn)輕微扭曲（如橢圓內(nèi)峰值不均）；c部分為使用相同SEFT的TPS模擬（c1瞬時(shí)強(qiáng)度、c2 FWHM輪廓），彎月形輪廓得以維持，F(xiàn)WHM橫向軸增至7 mm；d部分為使用TPS專用拋物線換能器的模擬（d1瞬時(shí)強(qiáng)度、d2 FWHM輪廓），焦點(diǎn)更淺（FWHM波束軸3.5 mm）。

圖3驗(yàn)證了頭部組織對聲場的影響有限：輪廓形狀和方向（橢圓形垂直換能器、彎月形平行換能器）保持不變，但頭骨導(dǎo)致衰減和微小失真。這強(qiáng)調(diào)了計(jì)算模型在預(yù)測體內(nèi)聲場中的可靠性，并為臨床協(xié)議設(shè)計(jì)（如靶向深層或淺層腦區(qū)）提供依據(jù)。

tFUS的FWHM（圖3 b3）：該子圖顯示tFUS的聲強(qiáng)分布呈橢圓形輪廓，F(xiàn)WHM測量表明波束軸（沿傳播方向）寬度較大，而橫向軸（垂直于傳播方向）寬度較小。這驗(yàn)證了tFUS的長脈沖序列產(chǎn)生深層、高聚焦的聲場，適合靶向特定腦區(qū)。頭部組織（如頭骨）導(dǎo)致輕微扭曲，但橢圓形輪廓保持穩(wěn)定。

TPS的FWHM（圖3 c2和d2）：圖3c2（TPS SEFT）顯示彎月形輪廓，橫向軸FWHM大于波束軸FWHM，表明聲場更分散；圖3d2（TPS拋物線換能器）進(jìn)一步顯示焦點(diǎn)變淺，橫向軸FWHM顯著增大。這突出了TPS的瞬態(tài)脈沖特性，可能導(dǎo)致更安全的淺層刺激，但聚焦性較弱。

FWHM對比表格

tFUS的橢圓形焦點(diǎn)：波束軸FWHM（24 mm）遠(yuǎn)大于橫向軸FWHM（3.75 mm），比率0.156＜1，表明高空間聚焦性，適合深層腦區(qū)（如丘腦）的精確神經(jīng)調(diào)控，但可能受頭骨衰減影響強(qiáng)度。

TPS的彎月形焦點(diǎn)：橫向軸FWHM大于波束軸FWHM（比率＞1），表明聲場分散，焦點(diǎn)較淺。TPS拋物線換能器的橫向軸FWHM達(dá)11 mm，突出其安全性優(yōu)勢（減少局部熱風(fēng)險(xiǎn)），但靶向精度較低。

臨床啟示：tFUS適用于需高精度的疾?。ㄈ缯痤潱?/strong>，而TPS可能更適合安全性優(yōu)先的應(yīng)用（如阿爾茨海默病）。FWHM數(shù)據(jù)為設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù)，例如在便攜設(shè)備中集成可切換模式以平衡聚焦性與安全性。

HUIYING

總結(jié)

本計(jì)算研究通過詳實(shí)的模擬分析，系統(tǒng)比較了LIFU（以tFUS為代表）和TPS的聲波傳播特性。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：LIFU的穩(wěn)態(tài)脈沖產(chǎn)生橢圓形聲場，適合深層神經(jīng)調(diào)控，而TPS的瞬態(tài)脈沖導(dǎo)致彎月形輪廓，可能增強(qiáng)安全性但焦點(diǎn)較淺。研究方法使用FDTD模擬和現(xiàn)實(shí)頭部模型，確保了結(jié)果的科學(xué)性；研究結(jié)果通過自由水和頭部模擬驗(yàn)證了波形差異的主導(dǎo)作用。這些發(fā)現(xiàn)為未來神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)，例如在疾病應(yīng)用中平衡聚焦性與安全性。局限包括模擬參數(shù)假設(shè)，未來工作需結(jié)合多時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)?？傮w，本研究突出了波形設(shè)計(jì)在神經(jīng)調(diào)控中的重要性，并為臨床轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。