Whole-skull acoustic transparency from a single time-reversal solve for reciprocity-based transducer placement and aperture optimization in transcranial focused ultrasound
Lampe Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina at Chapel Hill and North Carolina State University（北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学联合兰佩生物医学工程系）
本研究提出利用单次全波时间反演求解生成全颅骨透明度图，从而快速优化经颅聚焦超声的换能器放置与孔径，实验表明该方法可显著提高聚焦增益并校正颅骨畸变。
2026-09-24 physics.med-ph
Pseudo-CTs from T1-weighted MRI for planning of low-intensity transcranial focused ultrasound neuromodulation: an open-source tool
工作背景：在低强度经颅超声刺激（TUS）研究中规划预期的经颅超声声场并估计机械和热安全性时，骨密度和几何形状的个体颅骨模型非常重要。计算机断层成像（CT）图像通常用于估计颅骨声学特性。然而，由于暴露于电离辐射和研究组内有限的CT扫描仪，在研究参与者中获得CT图像可能是禁止的。目的：我们为研究人员提供了一个经过验证的开源工具，可以从T1加权MR图像中获得个体颅骨估计值，用于声学模拟。方法：我们改进了先前训练和验证的3D卷积神经网络（CNN），以生成100 keV的伪CT。该网络在110名个体上进行了预训练，并在37名健康对照个体的数据库上进行了改进和测试。我们将基于参考CT的模拟与基于我们的伪CT和二元颅骨掩模的模拟进行了比较，二元颅骨掩模是在没有CT的情况下的常见替代方案。结果如下：与参考CT相比，我们的CNN产生的伪CT在整个头部的平均绝对误差为109.8 +/- 13.0 HU，在颅骨中为319.3 +/- 31.9 HU。在声学模拟中，基于参考CT和伪CT（分别为0.48 +/- 0.04 MPa和0.50 +/- 0.04 MPa）的模拟的局灶压力在统计学上相等，但二元颅骨面罩（0.28 +/- 0.05 MPa）的局灶压力不相等。结论：我们表明，我们的网络可以产生与健康个体的参考CT相当的伪CT，并且这些可以用于声学模拟。
2022-09-24 physics.med-ph
The choice of viscous or viscoelastic models affects attenuation and velocity determination in simplified skull-mimicking digital phantoms
University of Utah（犹他大学）
研究探讨了粘性与粘弹性模型对颅骨模拟假体中衰减和相速度的影响，揭示不同模型在预测声学特性时的差异。
2025-12-09 physics.med-ph
Effects of skull properties on long-pulsed transcranial focused ultrasound transmission
本文通过多频率实验系统研究了颅骨厚度、密度比、曲率及换能器位置对经颅聚焦超声传输的影响，揭示了波叠加可导致颅内峰值压力30-40%的不确定性。
2025-02-06 physics.bio-ph physics.med-ph
Influence of shear waves on transcranial ultrasound propagation in cortical brain regions
本研究通过离体人颅骨实验和数值模拟，揭示忽略剪切波会导致经颅聚焦超声在皮层浅层区域的颅内声压平均高估约40%，并证明包含剪切波的固体模型在斜入射和位置扰动下更稳定准确。
2023-09-22 physics.med-ph
Automatic skull-template alignment without a guidance image
Imperial College London（帝国理工学院）；Sonalis Imaging Limited（Sonalis成像有限公司）
MOFI通过优化全波形反演实现无需引导图像的颅骨模板对齐，提供了一种替代MRI引导的实用方法。
2026-01-20 physics.med-ph
De-aberration for transcranial photoacoustic computed tomography through an adult human skull
本文首次实验证明利用均匀弹性颅骨模型可对经离体成人颅骨的PACT图像进行去像差，仅需颅骨几何与位置信息，解决了困扰经颅光声成像二十年的颅骨声学畸变难题。
2025-01-03 physics.med-ph
A random phased-array for MR-guided transcranial ultrasound neuromodulation in non-human primates
经颅聚焦超声（FUS）是一种非侵入性的脑神经激活治疗和研究技术。在这里，我们报告的设计和表征的一种新的MR引导FUS传感器的神经调制在非人类灵长类动物在650 kHz。该阵列由128个单元组成，曲率半径为曲率半径7.2 cm，开口直径为10.3 cm（焦比为0.7）。仿真被用来优化换能器的几何形状方面的焦点大小，栅瓣，和方向性。在电子转向过程中的焦点大小和栅瓣进行了量化，使用水听器测量在水中和三轴阶段。光学跟踪和声学映射的新颖组合使得能够测量离体颅骨的皮质区域中的3D压力分布，其在表面的约3.5 mm内，并且允许通过非均匀3D声学模拟对实验进行精确建模。数据表明声聚焦超出颅骨，焦点略微扩大并向颅骨近端移动。该制造设计能够针对猕猴S1感觉运动皮质内的区域。
2017-12-19 physics.med-ph
The impact of reference isocentre position on set-up errors in head-and-neck image guided radiotherapy
目的：检查和量化头颈部放射治疗中患者定位的摆位误差，并研究选择患者颈部或患者颅骨上的参考等中心对摆位误差大小的影响。材料和方法：使用在线kV 2D/2D匹配获得的设置位置校正自动记录每个治疗部分。分析了2013年和2014年期间在我们诊所的单台治疗机上接受体积调制式弧形治疗（VMAT）的117名患者的3413份治疗记录。在79个治疗计划中，将参考等中心设置为患者颅骨，47个设置为颈部。结果如下：组系统误差在垂直、纵向和横向以及治疗床旋转方向的标准差分别为2.5 mm、2.1 mm、1.9 mm和0.43°（颅骨）和2.5 mm、1.8 mm、1.7 mm和0.49°（颈部）。垂直、纵向、侧向和旋转位置校正的随机误差分别为1.8mm、1.5mm、1.6mm和0.62°（颅骨）和1.9mm、1.6mm、1.5mm和0.60°（颈部）。在不同方向的位置变化被认为是不相关的。结论：在分次间设置误差方面，两种参考等中心设置均未显示出明显的优势。
2023-02-27 physics.med-ph
Evaluation of ultrasound sensors for transcranial photoacoustic sensing and imaging
本文通过测量人类颅骨的声学约束，评估并设计了平凹光学谐振器（PCOR）超声传感器，证明其在低频段具有高灵敏度和平坦频率响应，优于传统压电传感器，适用于经颅光声传感与成像。
2023-06-05 physics.app-ph physics.med-ph
Transcranial ultrasound simulations: a review
经颅超声越来越多地用于大脑的治疗和成像。然而，颅骨是一种高度衰减和畸变的介质，在样品之间甚至在样品内具有不同的结构和声学特性。因此，需要特定病例的模拟来安全地进行经颅聚焦超声介入。在这篇文章中，我们提供了一个审查的不同方法来模拟颅骨和模拟超声传播通过它。
2022-07-25 physics.med-ph
Influence of bone microstructure on ultrasound loss through skull-mimicking digital phantoms
University of Utah（犹他大学）
研究探讨了骨微结构对超声衰减的影响，发现孔隙率和孔径影响插入损失，650kHz下衰减-HU关系不确定，影响CT衍生声学模型。
2025-08-06 physics.med-ph
Photoacoustic imaging of human brain function through intact adult skulls
California Institute of Technology（加州理工学院）；Case Western Reserve University（凯斯西储大学）；University of Southern California（南加州大学）；Midjourney, Inc.（Midjourney公司）；Changsha University of Science and Technology（长沙理工大学）；Peking University（北京大学）；European Molecular Biology Laboratory（欧洲分子生物学实验室）；Rice University（莱斯大学）；Tsinghua University（清华大学）
本研究突破颅骨障碍，采用3072元件超声阵列实现经颅功能性光声成像，可无创快速定位人脑功能响应，与高场fMRI结果对应，为脑功能成像提供新方案。
2026-10-14 physics.med-ph
Photoacoustic digital brain: numerical modelling and image reconstruction via deep learning
光声层析成像（PAT）是一种新兴的医学成像技术，它结合了超声成像和纯光学成像的优点，具有高对比度和深穿透深度的特点。最近，PAT在人脑成像中进行了研究。然而，当超声波通过人体颅骨组织时，会发生强烈的声衰减和畸变，导致光声信号失真。在这项工作中，我们使用10个磁共振血管造影（MRA）人脑体积，并手动分割它们，以获得用于PAT的2D人脑数字体模。该数字化模型包含头皮、颅骨、白质、灰质、血管和大脑皮层六种组织。对于每个数值模型，光学特性被分配给每种组织。然后，基于Monte-Carlo的光学模拟部署，以获得光声初始压力。在此基础上，我们进行了两种情况的k波模拟：一种是考虑介质不均匀和声速不均匀的情况，另一种是不考虑介质不均匀和声速不均匀的情况。然后将前一种方法的传感器数据作为U-网的输入，后一种方法的传感器数据作为U-网的输出，对网络进行训练。我们随机选取7幅人脑PA正弦图作为训练集，3幅人脑PA正弦图作为测试集。实验结果表明，该方法能较好地校正颅骨声像差，并能较好地获得人脑血管的分布。
2021-09-19 eess.IV physics.med-ph
Transcranial ultrasound simulation with uncertainty estimation
经颅超声模拟越来越多地用于预测脑中超声治疗的原位暴露参数。然而，在从计算机断层成像（CT）图像估计颅骨和大脑的声学介质特性时可能存在相当大的不确定性。在这里，我们展示了如何在模拟声场中产生的不确定性可以预测在计算上有效的方式使用线性不确定性传播。使用聚焦碗换能器在500 kHz的代表性经颅模拟的结果显示出良好的一致性与无偏的不确定性估计使用蒙特卡洛。
2022-12-08 physics.comp-ph physics.med-ph
An element-wise approach for simulating transcranial MRI-guided focused ultrasound thermal ablation
这项工作探索了一种元素明智的方法来模拟经颅MRI引导的聚焦超声（TcMRgFUS）热消融，一种无创的神经外科方法。相控阵换能器的每个元件都被单独模拟，并且可以同时加载到计算机存储器中，从而可以快速计算用于波束转向和像差校正的不同相位偏移的压力场。我们模拟了32名患者的431次声处理的压力分布，应用了治疗期间使用的相位和幅度值，并估计了由此产生的温升。我们系统地改变了CT导出的颅骨密度与声衰减和声速之间的关系，以获得预测与MR温度成像（MRTI）之间的最佳一致性。通过模拟40种额外治疗的396次超声处理验证了优化。优化后，预测和测量的产热一致（R2：0.74例患者1-32; 0.71例患者33-72）。模拟温度图中加热的尺寸和密度与MRTI相关性良好（R2：分别为0.62，0.74），但测得的加热在空间上更分散。实现消融所需的能量变化了一个数量级（3.3-36.1 kJ）。虽然这种逐元素的方法需要更多的计算时间，但它可以并行执行。它允许在阵列上的不同相位和幅度值的焦点处的三维加热的快速计算。我们还展示了如何使用这种方法来优化CT衍生的颅骨密度和声学特性之间的关系。虽然这里发现的关系需要在更大的患者群体中进一步验证，但这些结果证明了这种方法对TcMRgFUS建模的前景。
2019-09-05 physics.med-ph
A Modified Mixed Domain Method for Modeling Acoustic Wave Propagation in Strongly Heterogeneous Media
在本文中，相位校正和振幅补偿被引入到先前开发的混合域方法（MDM），这是精确的模拟波在弱非均匀介质中的传播。多次反射也与单向模型相结合，以提高精度。所得到的模型表示为修改的混合域方法（MMDM），并使用两种不同的情况下，其精度和效率进行了数值评估：分层介质和人类头骨。研究发现，对于强非均匀介质，MMDM比MDM更精确，尤其是当相位畸变层大致垂直于声束时。此外，收敛性研究表明，二阶反射是足够的波建模在有耗生物介质。在这项工作中开发的方法可用于促进治疗超声波治疗脑相关疾病和障碍。
2019-11-22 physics.comp-ph physics.med-ph
Acoustic Holography in the Megahertz Frequency Range with Optimal Lens Topologies and Nonlinear Acoustic Feedback
针对兆赫兹频段复杂声学全息图的透镜拓扑设计难题，本文提出异构角谱方法生成高保真透镜拓扑并解决波前像差问题，结合非线性低频反馈实现颅骨补偿对准与脑脊液监测，为高性能超声系统设计提供支持。
2025-08-24 physics.app-ph physics.med-ph
Classical and learned MR to pseudo-CT mappings for accurate transcranial ultrasound simulation
University College London（伦敦大学学院）；Fundación HM Hospitales de Madrid（马德里HM医院基金会）；CEU-San Pablo University（CEU圣巴勃罗大学）；University of Oxford（牛津大学）
用于经颅超声治疗的基于模型的治疗计划通常涉及从头部的X射线计算机断层成像（CT）图像映射颅骨的声学特性。在这里，三种方法生成伪CT图像从磁共振（MR）图像进行了比较，作为一种替代CT。在成对的MR-CT图像上训练卷积神经网络（U-Net），以根据T1加权或零回波时间（ZTE）MR图像（分别表示为tCT和zCT）生成伪CT图像。还实现了从ZTE到伪CT的直接映射（表示为cCT）。当比较测试集的伪CT和地面真实CT图像时，tCT、zCT和cCT图像的平均绝对误差在整个头部分别为133、83和145 Hounsfield单位（HU），在颅骨内分别为398、222和336 HU。还使用生成的伪CT图像进行超声模拟，并与基于CT的模拟进行比较。使用环形阵列换能器靶向视觉或运动皮质。对于基于tCT图像的模拟，模拟局灶压力、局灶位置和局灶体积的平均差异分别为9.9%、1.5 mm和15.1%，对于zCT为5.7%、0.6 mm和5.7%，对于cCT为6.7%、0.9 mm和12.1%。从ZTE映射的图像的改进结果突出了使用提高颅骨对比度的成像序列的优势。总体而言，这些结果表明，基于MR图像的声学模拟可以提供与基于CT的声学模拟相当的准确度。
2022-10-24 cs.LG physics.med-ph
The Use of Alendronate to Enhance Transcranial Transmission of Focused Ultrasound for Successful Ablations in Brain
本研究评估阿仑膦酸盐对既往MRgFUS消融失败患者的疗效，发现其可改善颅骨骨密度分布及超声通透性，提高重复MRgFUS成功率，扩大低SDR患者的治疗资格并优化决策。
2025-05-30 physics.data-an physics.med-ph
Enhanced 3D-printed holographic acoustic lens for aberration correction of single-element transcranial focused ultrasound
经颅聚焦超声畸变的校正是增强各种非侵入性医学治疗的相关问题。近年来，通过多元件相控阵发射一直是最广泛接受的减少像差的方法;然而，最近提出了一种基于3D打印声透镜的新的颠覆性技术，其成本较低，精度相当。相控阵配置中换能器的数量和尺寸是限制聚焦精度的瓶颈，但是一旦最新一代3D打印机的亚毫米精度克服了这一限制，现在的挑战是提高设计透镜所需的数值模拟的精度。本研究介绍和评估两个改进的数值模型应用在以前的作品中，提出了3D透镜，其中包括在直接计算的相位图案从复杂形式的振荡幅度的传播，并在引入的吸收现象到一组方程，描述了流体和固体介质中的波的动力学。数值实验进行分析的质量像差校正的焦点在不同的配置。所获得的结果表明，吸收的包括显着改善聚焦，特别是在颅骨的厚度是更不规则的。
2018-05-25 physics.med-ph
A Helmholtz equation solver using unsupervised learning: Application to transcranial ultrasound
University College of London（伦敦大学学院）
经颅超声治疗越来越多地用于脑部疾病的非侵入性治疗。然而，传统的数值波求解器目前在计算上太昂贵而不能在治疗期间在线使用以预测穿过颅骨的声场（例如，以说明受试者特异性剂量和靶向变化）。作为实现实时预测的一步，在目前的工作中，使用完全学习的优化器开发了2D异质亥姆霍兹方程的快速迭代求解器。轻量级网络架构是基于一个修改的UNet，其中包括一个学习的隐藏状态。该网络使用基于物理的损失函数和一组理想化的声速分布进行训练，完全无监督训练（不需要了解真正的解决方案）。学习的优化器在测试集上显示出优异的性能，并且能够在训练示例之外很好地泛化，包括更大的计算域以及更复杂的源和声速分布，例如，从颅骨的X射线计算机断层成像图像导出的那些。
2021-06-18 cs.LG eess.IV physics.comp-ph
An Angular Spectrum Method for Nonlinear Propagation in Heterogeneous Tissue with Immersed Sources for Ultrasound
Lampe Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina at Chapel Hill and North Carolina State University（北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学生物医学工程联合兰珀系）
本文提出改进的角谱法（ASM），用于异质组织中超声非线性传播模拟，经颅超声与治疗超声场景，通过倾斜角校正、特殊离散化方案、源注入与边界处理优化，在精度相当的情况下较Fullwave 2显著降低内存与时间成本。
2026-08-10 physics.med-ph
BabelBrain: An Open-Source Application for Prospective Modeling of Transcranial Focused Ultrasound for Neuromodulation Applications
BabelBrain 是一款开源 GUI 工具，用于经颅聚焦超声神经调控的声场与热效应模拟，支持多 GPU 后端，并通过数值研究优化声学属性映射以复现经颅压力传输效率。
2023-04-12 physics.med-ph
Transcranial FUS Therapy and Monitoring using Nonlinear Acoustics
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Emory University（埃默里大学）
本文提出一种基于声学全息图的经颅超声聚焦新框架，通过频域拓扑优化实现高保真聚焦，利用非线性参量阵效应实现无成像配准，并展示其在脑积水颅内压监测中的应用。
2026-06-04 math-ph math.MP physics.app-ph
In situ ultrasound imaging of shear shock waves in the porcine brain
使用高帧率超声和高灵敏度运动跟踪，我们最近表明，发送到离体猪脑的剪切波发展成剪切冲击波，在脑内具有破坏性的局部加速度，这可能是深部创伤性脑损伤背后的关键机制。在撞击期间以足够的帧速率直接测量大脑运动一直是一个持续的挑战。在这里，我们提出了超声观察剪切冲击波在声学上具有挑战性的环境中的原位猪脑在一个单一的冲击。将大脑连接到以25 g的中等振幅振动的板源，以将40 Hz剪切波传播到大脑中。同时，使用具有8个交错的超声发射-接收事件的定制成像序列以2193图像/s采集移动的大脑的图像，该定制成像序列被设计为精确地跟踪剪切冲击。为了实现长视场，使用时间反转超声模拟设计宽波束发射，并且不使用复合以避免运动模糊。在脑内7.1 mm深处的冲击波阵面处测量到102 g的峰值加速度。它还表明，实验剪切速度，加速度和应变率波形在大脑中的自定义高阶有限体积法的理论预测是非常一致的，从而证明了即使在存在强烈的声学混响从猪头骨的能力，以测量快速的大脑运动。
2021-04-24 physics.med-ph
An open-source framework for predicting ultrasound neuromodulation: bridging tissue elastomechanics and neuron firing dynamics
Lampe Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina at Chapel Hill and North Carolina State University（北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学联合生物医学工程系）
本研究提出开源计算框架，耦合多物理过程与多通路神经元模型，可预测超声神经调控的神经元放电区域，为超声神经调控的机制研究与安全评估提供空间分辨的可验证工具。
2026-08-07 physics.med-ph
Pointwise Encoding Time reduction with Radial Acquisition (PETRA) to pseudo-CT mapping for precision Focused Transcranial Ultrasound Applications
本研究提出基于PETRA磁共振序列的伪CT转换方法，通过主成分分析建立仿射映射关系，验证其可替代CT用于经颅超声治疗规划的精准声场预测，减少受试者电离辐射暴露。
2025-08-01 physics.med-ph
