通过柔性超材料中的米氏共振与法诺共振实现高性能经颅超声传输发表时间：2025-05-08 12:57 经颅超声作为一种非侵入性医学技术，在神经调节、脑部疾病治疗及长期监测中具有重要潜力。然而，经颅超声（Transcranial Ultrasound）传输效率低，超声波在穿过颅骨时会因以下原因显著衰减： - 颅骨与脑组织之间的巨大声阻抗差异导致显著的反射。 - 颅骨的非均匀厚度、曲面形状和多孔结构增加了超声波传播的复杂性。 - 传统刚性超材料结构复杂，难以适应颅骨的曲面和不均匀性。 近年来，声学超材料的发展为解决这些问题提供了新的途径。已有研究包括基于变换声学的互补超材料、亥姆霍兹共振超材料和法布里-珀罗共振超材料，但这些方法在频率范围、结构复杂性和应用场景上存在局限性。浙江大学的研究学者提出了一种基于柔性声学超构材料的超声波传输技术，极大增强了超声波经过颅骨时候的声透射系数，相关工作内容近日发表在期刊《Advanced Science》上面。
一种新型的经颅超声传播技术 这篇论文提出了一种基于米氏共振和法诺共振的柔性超材料（MRFM）用于解决经颅超声传输问题。具体来说， 1. 米氏共振：通过在柔性基板上周期性排列低速微柱，设计了一种米氏共振柔性超材料（MRFM）。米氏共振是由入射波波长接近或小于颗粒尺寸时，在颗粒内激发的共振模式。 2. 法诺共振：MRFM产生的米氏共振与颅骨的连续状态耦合，形成法诺共振。法诺共振是一种非对称共振现象，通过连续散射波和离散激发波的干涉效应实现高效的能量传输。 3. 结构设计：MRFM由低速微柱和高速柔性基板组成。低速微柱由多孔镍泡沫制成，高速柔性基板由琼脂糖水凝胶制成。这种设计使得MRFM能够在特定频率下产生共振，显著增强超声波的传输效率。
MRFM增强经颅超声传输的原理与仿真结果 1. 仿真设计：本文使用COMSOL Multiphysics软件进行有限元仿真，模拟超声波通过颅骨模型和MRFM的传输行为。仿真包括了频域和时间域分析，并且考虑了颅骨的曲面结构特征及其声学衰减特性。
MRFM的一些等效参数以及板状MRFM材料的超声波传输仿真
弯曲状MRFM的超声波传输仿真 2. 样品制备： MRFM制备：将多孔镍泡沫切割成周期性排列的微柱，浸入高温琼脂糖水凝胶溶液中，固化后形成柔性基板。 颅骨模型制备：使用环氧树脂和氧化铝粉末混合制成平板颅骨模型，通过CT扫描制备真实弯曲颅骨模型。
MRFM样品的制备 3. 实验测试： 频域传输测试：使用信号发生器、功率放大器和超声换能器测量超声波通过颅骨模型和MRFM的传输透射谱。 时域传输测试：使用高速采集卡和水听器记录超声波通过颅骨模型和MRFM的时域信号。 三维扫描测试：使用三维扫描系统评估超声波通过颅骨模型后的强度分布。
该技术的实验验证与实际应用测试 1. 频域传输增强： 仿真结果显示，MRFM将平板颅骨模型的超声波传输率从33.7%提高到75.2%（频率0.309 MHz）。 实验结果显示，MRFM将平板颅骨模型的超声波传输率从20.6%提高到73.3%（频率0.33 MHz），与仿真结果一致。
聚焦超声束穿过平板状颅骨模型时的超声传输模拟 （包括含MRFM和不含MRFM材料的情况） 2. 时域传输增强： 仿真结果显示，MRFM在0.309 MHz频率下，超声波强度从45.3%增加到92.0%。 实验结果显示，MRFM在0.33 MHz频率下，超声波强度从20.6%增加到73.3%。 3. 弯曲颅骨模型： 仿真结果显示，MRFM在弯曲颅骨模型上的传输率从46.5%提高到89.8%，显著增强了超声波的传输效率。
聚焦声束通过弯曲颅骨模型时候的传输模拟 （包括不含MRFM、含MRFM阵列、贴合形式的MRFM阵列情况） 4. 异质颅骨模型： 仿真结果显示，MRFM在具有非均匀密度和声速的颅骨模型上，平均传输率提高了19.8%至25.3%。 5. 近场条件下的传输增强： 仿真结果显示，MRFM在近场条件下（距离换能器10-60 mm）显著提高了超声波的传输效率。 这篇论文提出了一种基于米氏共振和法诺共振的柔性超材料（MRFM），成功解决了经颅超声传输中的关键问题。通过仿真和实验验证，MRFM在平板、弯曲和异质颅骨模型上均表现出显著的传输增强效果。MRFM具有结构简单、参数可调谐和柔性可贴合的优点，突破了传统刚性超材料的局限性，为经颅超声刺激和神经调节的临床应用奠定了坚实的理论和实验基础。未来的研究将进一步优化MRFM的设计，以应对更复杂的颅骨结构和更高的工作频率需求。 文献获取：J. Chen, B. Liu, G. Peng, L. Zhou, C. Tan, J. Qin, J. Li, Z. Hong, Y. Wu, M. Lu, F. Cai, Y. Huang, Achieving High-Performance Transcranial Ultrasound Transmission Through Mie and Fano Resonance in Flexible Metamaterials. Adv. Sci. 2025, 2500170. https://doi.org/10.1002/advs.202500170 |
