経頭蓋超音波イメージングのための音響的および構造的に一致する3Dプリントモデルの設計と特性評価

時間骨を介してヒト経頭蓋超音波イメージング（TUI）を調査するには、無傷の人間の頭蓋骨が必要です。それを入手するのは複雑で高価なので、頭蓋骨の切除や摩耗なしで実験を行う必要があります。その上、血管標的の血液循環を模倣するために、セルロースチューブは一般に、直線的な特徴を備えた容器シミュレーションに適合します。実験的研究を制限するこれらの問題は、実際の頭蓋骨と容器モデルを曲線と分岐点に合わせた音響および寸法特性を備えた3Dプリントされた頭蓋骨モデルを設計することで克服できます。まず、音響減衰係数と音の伝播速度の観点から実際の頭蓋骨に一致する最適な印刷材料は、2 mHz周波数、つまり7.06 dB/mmおよび2168.71 m/s、および頭蓋骨の場合は6.98 dB/mmおよび6.98 dB/mmおよび印刷された材料の場合、それぞれ2114.72 m/s。モデリング後、印刷された頭蓋骨の側頭骨の平均厚さは約1.8 mmでしたが、実際の頭蓋骨では1.7 mmでした。次に、血管ファントムを、低音響減衰（0.6 dB/mm）の3Dプリント容器で設計されました。透明なポリアクリルアミドゲルに含まれるブタ脳組織で覆われていました。設計された頭蓋骨モデルと血管ファントムに基づいて、音響の一貫性を特徴付けた後、内径1と0.7 mmの容器は、低周波数の解像度強化イメージングによって区別されました。測定とイメージングの結果は、モデルとファントムが本物で実行可能な代替品であり、TUI、高強度に焦点を合わせた超音波、またはその他の療法研究に関心があることを証明しました。

For investigating human transcranial ultrasound imaging (TUI) through the temporal bone, an intact human skull is needed. Since it is complex and expensive to obtain one, it requires that experiments are performed without excision or abrasion of the skull. Besides, to mimic blood circulation for the vessel target, cellulose tubes generally fit the vessel simulation with straight linear features. These issues, which limit experimental studies, can be overcome by designing a 3-D-printed skull model with acoustic and dimensional properties that match a real skull and a vessel model with curve and bifurcation. First, the optimal printing material which matched a real skull in terms of the acoustic attenuation coefficient and sound propagation velocity was identified at 2-MHz frequency, i.e., 7.06 dB/mm and 2168.71 m/s for the skull while 6.98 dB/mm and 2114.72 m/s for the printed material, respectively. After modeling, the average thickness of the temporal bone in the printed skull was about 1.8 mm, while it was to 1.7 mm in the real skull. Then, a vascular phantom was designed with 3-D-printed vessels of low acoustic attenuation (0.6 dB/mm). It was covered with a porcine brain tissue contained within a transparent polyacrylamide gel. After characterizing the acoustic consistency, based on the designed skull model and vascular phantom, vessels with inner diameters of 1 and 0.7 mm were distinguished by resolution enhanced imaging with low frequency. Measurements and imaging results proved that the model and phantom are authentic and viable alternatives, and will be of interest for TUI, high intensity focused ultrasound, or other therapy studies.