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來源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
基于芯片的技術(shù)可以產(chǎn)生具有高分辨率和高強(qiáng)度的聲音輪廓，這可能會(huì)為超聲治療創(chuàng)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(tǒng)研究所和斯圖加特大學(xué)的Peer Fischer領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員開發(fā)了一種投影儀，該投影儀可以用較少的技術(shù)工作來靈活地調(diào)制三維超聲場(chǎng)。因此，可以以比當(dāng)前技術(shù)所允許的更高的分辨率和聲壓來生成動(dòng)態(tài)聲壓曲線。為個(gè)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(yī)學(xué)應(yīng)用甚至可能出現(xiàn)。
超聲在醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中被廣泛用作診斷工具。它也可以用于治療。例如，在美國(guó)，子宮和前列腺腫瘤用高功率超聲治療。超聲波通過對(duì)病變組織進(jìn)行特殊加熱來破壞癌細(xì)胞。全球研究人員正在使用超聲波來對(duì)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(diào)整聲壓分布”，馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所研究組負(fù)責(zé)人，斯圖加特大學(xué)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(chǎng)要困難一些。這是因?yàn)轱B蓋扭曲了聲波。 Fischer小組的研究人員開發(fā)的空間超聲調(diào)制器（SUM）應(yīng)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(qiáng)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(diào)制超聲曲線所需的技術(shù)工作更少。
常規(guī)方法使用幾個(gè)單獨(dú)的聲源來改變聲場(chǎng)，聲波可以疊加并彼此相對(duì)移動(dòng)。但是，由于不能隨意地使各個(gè)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(fā)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(xiàng)新技術(shù)，研究人員先會(huì)產(chǎn)生超聲波，然后獨(dú)立調(diào)節(jié)其聲壓曲線，實(shí)際上是“一石二鳥”。 “以此方式，我們可以使用功能更強(qiáng)大的超聲換能器，”博士后研究員Kai Melde解釋說，他是開發(fā)SUM的團(tuán)隊(duì)的成員。 “借助具有10,000像素的芯片來調(diào)制超聲波，我們可以生成分辨率更高的曲線”。
“為了調(diào)節(jié)聲壓分布，我們利用了水和空氣的不同聲學(xué)特性”，F(xiàn)ischer小組的博士后研究員Zhichao Ma說，他在開發(fā)新的SUM技術(shù)方面發(fā)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(tuán)隊(duì)因此構(gòu)建了一個(gè)拇指大小的芯片，在該芯片上，它們可以通過在10,000個(gè)薄水膜中的電極上進(jìn)行電解（即通過電將水分解為氧氣和氫氣）而產(chǎn)生氫氣泡。每個(gè)電極的邊緣長(zhǎng)度都小于十分之一毫米，可以單獨(dú)控制。
如果使用換能器（一種微型揚(yáng)聲器）將超聲波發(fā)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(huì)繼續(xù)僅通過液體傳播。就像面罩一樣，這會(huì)產(chǎn)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(chǎn)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(jī)的工作原理是精確而可變的。為了使字母清晰可見，他們?cè)诟鞣N聲壓分布中捕獲了微粒。根據(jù)聲音模式，粒子將自己排列成單個(gè)字母。
對(duì)于相似的圖像，與Peer Fischer，Kai Melde和Zhichao Ma合作的科學(xué)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(shù)對(duì)其進(jìn)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(xì)胞排列成所需的圖案。但是，塑料全息圖僅提供靜止圖像。對(duì)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(tuán)隊(duì)能夠在大約10秒內(nèi)產(chǎn)生新的聲音輪廓。全息圖開發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)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(shù)不僅可以用于診斷和治療目的，還可以用于生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室。例如，將細(xì)胞安排到類器官模型中。Fischer說：“這類類器官生物能夠?qū)钚运幬锍煞诌M(jìn)行有用的測(cè)試，因此至少可以部分替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。”
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(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。