DGIST、GIST，无需高价多通道设备实现无创脑刺激……确认对神经病理性疼痛具有改善效果
韩国研究团队开发出一项技术，仅凭一个由人工智能设计的3D打印超声透镜，便可同时对大脑多个部位进行精准刺激。即使没有以往那种配备数十至数百个超声发生器的高价多通道设备，也能将超声均匀传递至颅骨另一侧的目标脑区，因此有望作为治疗退行性脑疾病以及精神·神经系统疾病的新一代无创治疗技术加以应用。
大邱庆北科学技术院（DGIST）14日表示，Hwang Jaeyun电气电子计算机工程系教授研究团队与光州科学技术院（GIST）Jeong Uiheon、Kwon Hyeoksang教授研究团队联合开发了基于人工智能的“厚度专用声学全息图（Thickness-Only Acoustic Hologram，TOAH）”技术。研究结果已刊登于脑刺激领域国际学术期刊《Brain Stimulation》7月刊。
在小鼠颅骨环境中用于多靶点超声脑刺激的声学全息图比较。所提出的方法TOAH在设计时同时考虑实际透镜结构与颅骨环境，减少了设计与实现之间的误差，并向多个目标区域准确、均匀地传递超声刺激。研究团队供图
View original image人工智能直接设计透镜厚度……降低超声聚焦误差
利用超声进行无创脑刺激，正作为阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症和慢性疼痛等疾病的新疗法受到关注。然而，超声在穿过颅骨过程中会产生折射和畸变，导致焦点偏移，也难以将能量均匀传递到多个靶点。这一局限若要弥补，便需要能够控制大量超声发生器的复杂多通道设备，因而在成本和应用性方面受到较大制约。
研究团队将人工智能与基于物理的优化技术相结合，采用了直接设计实际由3D打印机制造的超声透镜厚度的方法。借此可对超声的相位和振幅进行精密控制，校正颅骨折射带来的影响，并准确形成目标位置的三维焦点。
尤其是，仅凭薄型3D打印透镜和单一超声元件，也能同时刺激多个脑区，与现有系统相比大幅简化了结构。
确认疼痛反应下降……“有望成为无创脑治疗平台”
研究团队通过利用小鼠颅骨进行的实验和仿真，验证了这项新技术的性能。
实验结果显示，与既有方式相比，该技术的焦点形成精度更高，传递至多个靶点的能量均匀性也显著提升。同时还确认，其可减少集中于颅骨的不必要能量，从而降低发热风险。
研究团队合影。（左起）DGIST Hwang Jaeyun教授、Lee Munhwan博士、GIST Jeong Uiheon教授、Kwon Hyeoksang教授。DGIST供图
View original image在对诱导出神经病理性疼痛的小鼠双侧丘脑进行同步刺激的结果中，随着过度神经活动减少，疼痛反应得到明显改善。在利用人类颅骨数据进行的仿真中，也显示焦点精度和多靶点能量传递性能有所提升。
Hwang Jaeyun教授表示：“此次技术的核心在于，人工智能直接设计透镜结构，使超声能够准确传递至颅骨另一侧的多个脑区。”他还称：“仅凭单一超声元件和3D打印透镜就实现了精密的多重脑刺激，今后不仅可用于疼痛治疗，还有望发展为无需手术、面向退行性脑疾病及精神·神经系统疾病治疗的患者定制型无创平台。”
本次研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团未来有望融合技术先锋项目及中坚研究支援项目的支持下完成。
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