来源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

基于芯片的技术可以产生具有高分辨率和高强度的声音轮廓，这可能会为超声治疗创造新的选择，这将变得更加有效和容易。由马克斯·普朗克智能系统研究所和斯图加特大学的Peer Fischer领导的一组研究人员开发了一种投影仪，该投影仪可以用较少的技术工作来灵活地调制三维超声场。因此，可以以比当前技术所允许的更高的分辨率和声压来生成动态声压曲线。为个体患者量身定制超声图谱将很快变得更加容易。超声的新医学应用甚至可能出现。

超声在医学和材料科学中被广泛用作诊断工具。它也可以用于治疗。例如，在美国，子宫和前列腺肿瘤用高功率超声治疗。超声波通过对病变组织进行特殊加热来破坏癌细胞。全球研究人员正在使用超声波来对抗脑部的肿瘤和其他病理变化。 “为了避免损害健康组织，必须精确调整声压分布”，马克斯·普朗克智能系统研究所研究组负责人，斯图加特大学教授Peer Fischer解释说。在脑部，要为患病的组织定制密集的超声场要困难一些。这是因为颅盖扭曲了声波。 Fischer小组的研究人员开发的空间超声调制器（SUM）应该有助于纠正这种情况，并在其他情况下使超声治疗更有效，更容易。它可以使即使是非常强烈的超声波的三维形状也能以高分辨率变化，而且比目前调制超声曲线所需的技术工作更少。

10,000像素的高强度声压曲线

常规方法使用几个单独的声源来改变声场，声波可以叠加并彼此相对移动。但是，由于不能随意地使各个声源小型化，因此这些声压分布的分辨率被限制为1000像素。这样，声音发射器是如此之小，以至于声压足以用于诊断，但不能满足治疗目的。利用这项新技术，研究人员先会产生超声波，然后独立调节其声压曲线，实际上是“一石二鸟”。 “以此方式，我们可以使用功能更强大的超声换能器，”博士后研究员Kai Melde解释说，他是开发SUM的团队的成员。 “借助具有10,000像素的芯片来调制超声波，我们可以生成分辨率更高的曲线”。

“为了调节声压分布，我们利用了水和空气的不同声学特性”，Fischer小组的博士后研究员Zhichao Ma说，他在开发新的SUM技术方面发挥了作用：超声波穿过不受阻碍的液体，被气泡完全反射”。斯图加特的研究团队因此构建了一个拇指大小的芯片，在该芯片上，它们可以通过在10,000个薄水膜中的电极上进行电解（即通过电将水分解为氧气和氢气）而产生氢气泡。每个电极的边缘长度都小于十分之一毫米，可以单独控制。

如果使用换能器（一种微型扬声器）将超声波发送到芯片，则超声波将不受阻碍地通过芯片。但是，一旦声波与氢气泡撞击水，它就会继续仅通过液体传播。就像面罩一样，这会产生声压分布，并在气泡所在的位置处有切口。为了形成不同的声音轮廓，研究人员先将氢气泡从芯片上清除掉，然后以新的模式产生气泡。

研究人员通过将字母写在一种声压分布图的图片显示中，证明了这种新型的超声波投影机的工作原理是精确而可变的。为了使字母清晰可见，他们在各种声压分布中捕获了微粒。根据声音模式，粒子将自己排列成单个字母。

用于药物测试的类器官模型

对于相似的图像，与Peer Fischer，Kai Melde和Zhichao Ma合作的科学家以前曾安排了具有声压分布的微粒，他们使用稍有不同的技术对其进行了建模。他们使用特殊的塑料模版，使超声波的压力曲线像全息图一样变形，并将小颗粒以及液体中的生物细胞排列成所需的图案。但是，塑料全息图仅提供静止图像。对于每种新图案，他们都必须制作不同的塑料模板。使用超声波投影仪，斯图加特团队能够在大约10秒内产生新的声音轮廓。全息图开发团队的负责人凯梅德（Kai Melde）说：“使用其他芯片，我们可以大大提高帧速率。”

该技术不仅可以用于诊断和治疗目的，还可以用于生物医学实验室。例如，将细胞安排到类器官模型中。Fischer说：“这类类器官生物能够对活性药物成分进行有用的测试，因此至少可以部分替代动物实验。”

原文链接：https://www.mpg.de/15488241/ultrasonic-projector-medicine?c=2249

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