Non-invasive Blood-Brain Barrier Disruption using Acoustic Holography with a Clinical Focused Ultrasound System

超声波 聚焦超声 全息术 医学 声全息术 生物医学工程 声学 放射科 光学 物理
作者
Nathan McDannold,Yongzhi Zhang,Stecia‐Marie Fletcher,Patrick Y. Wen,David A. Reardon,Alexandra J. Golby,Margaret S. Livingstone
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (10): 3046-3054 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tbme.2024.3407678
摘要

Objective: Holographic methods can be used with phased array transducers to shape an ultrasound field. We tested a simple method to create holograms with a hemispherical 1024-element phased array transducer and explored how it could benefit ultrasound-mediated blood-brain barrier (BBB) disruption. Methods: With this method, individual acoustic simulations for each element of the transducer were simultaneously loaded into computer memory. Each element's phase was systematically modulated until the combined field matched a desired pattern. The method was evaluated with a 220 kHz transducer being tested clinically to enhance drug delivery via BBB disruption. The holograms were evaluated in a tissue-mimicking phantom and in vivo in experiments disrupting the BBB in rats and in a macaque. We also explored whether this approach could mitigate secondary reflections from the skull using simulations of transcranial focusing in clinical treatments of transcranial sonication for BBB disruption. Results: This approach can enlarge the focal volume in a patient-specific manner and could reduce the number of sonication targets needed to disrupt large volumes, improve the homogeneity of the disruption, and improve our ability to detect microbubble activity in tissues with low vascular density. Simulations suggest that the method could also mitigate secondary reflections during transcranial sonication.
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