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超声学实验室

超声学实验室

Biomedical Ultrasound Lab


超声学实验室是以诺贝尔得奖者、核磁共振成像技术之父保罗.C.劳特伯命名的生物医学成像研究中心的一个下属机构,实验室致力于建设一个国际水平的研究架构,促进应用声学、工程学、计算科学及生物学等学科的交叉发展。研究主要方向为超声新方法与技术及前沿应用研究。


主要研究方向





技术创新、仪器研制与医学转



声辐射力神经调控仪器                                                  超声弹性成像系统


2019年度研究进展

1. 超声无创脑神经调控

老年痴呆症、帕金森症等脑疾病是老年化社会的重大威胁,其发病机制主要是大脑里神经核团及其所在神经环路障碍。这些疾病无法通过手术切除进行治疗,无创伤、可达脑深部核团的物理调控手段是非常理想的治疗方法。

团队开拓了利用超声波“力学效应”(声辐射力)调控神经元活动和无创深部脑刺激的研究领域,成为国际上该领域具有开创意义的工作。

在国自然重大科研仪器研制项目资助下,项目组成员在Nature、Science、Nature子刊、Nano Letts及IEEE Transactions系列等期刊发表高水平学术论文30余篇;申请国家发明专利50余项,申请PCT专利24项;其中部分超声神经调控专利已经实现了转移和转化。在超声神经调控领域形成了具有自主知识产权的技术体系。


1.1 超声神经调控机制研究

超声神经调控团队与香港理工大学孙雷教授课题组合作研究在离体细胞实验中证明了机械敏感通道Piezo1在超声神经调控中的重要作用。他们发现低频低能量超声可以打开Piezo1引起钙离子内流,从而触发下游信号通路激活。研究成果以“The mechanosensitive ion channel Piezo1 significantly mediates in vitro ultrasonic stimulation of neurons” 为题,发表在《iScience》上。香港理工大学丘志海、郭景慧等为共同第一作者,郑海荣和孙雷为共同通讯作者。

          

                                               内源性机械敏感蛋白-Piezo1               超声引起钙离子内流声压阈值


1.2 超声神经调控关键部件与系统

经过近四年的项目攻关,完成了项目总体和各子系统的方案设计,自主研发了世界首个大规模平板超声辐射力发生器面阵系统、千通道高精度超声神经调控电子系统和磁共振成像导航定位系统。构建了相关实验模型,开展了系列生物医学实验研究。在仪器研制创新和基础科学问题研究方面均取得了重要突破。

千通道电子控制系统                                   万阵元超声脑神经调控仪器样机                           临床应用实验样机

1.3 超声神经调控技术应用

郑海荣研究员科研团队研制了头戴式超声刺激装置,刺激精度达毫米级,可以精准聚焦于帕金森病模型小鼠深部核团。首次揭示了超声辐射力刺激丘脑底核(STN)或苍白球(GP)可以提高帕金森小鼠运动能力。从分子机制上证明了超声辐射力可以通过抑制线粒体介导的细胞凋亡通路对多巴胺能神经元起到神经保护作用。相关研究发表在学术期刊Research上(DOI: 10.34133/2019/1748489)。

a)利用头戴式超声换能器调控小鼠深部核团;(b)超声脑深部刺激可以改善PD小鼠的运动功能;(c)超声脑深部刺激降低黑质多巴胺能神经元的凋亡。I: 正常小鼠+假刺激,II: PD小鼠+假刺激,III: PD+超声刺激STN,IV: PD+超声刺激GP


2. 声镊理论及其操控效应

利用声场设计进行非接触的物体操控具有重大科学价值和应用前景。为科学研究重大前沿热点。超声团队在超声辐射力理论计算方法以及操控效应研究取得了系统性创新性突出成果。在国际上首次提出了复杂声场环境中声辐射力离散表达与计算理论,发展了人工结构调控3D声场灵活调控声辐射力的新物理原理首次提出发明了高精度高通量“声筛”技术,提出基于相位偏移的精确操控新方法,突破了声镊的操控精度,实现了对单细胞的2.2微米精确移动;首次实现了单个乳腺癌细胞“外科手术式”操作,提高细胞的药物摄取效率基于多维复杂声场,发现了超声辐射力在定点给药、神经调控、分子影像、弹性成像方面的新效应新机制,据此进一步开展了超声辐射力在疾病诊断、干预和治疗等一系列生物医学应用。相关成果发表在Phy. Rev. Applied,APL,JASA等权威杂志上,所提出的声辐射力计算理论被国际同行评价为“非常强大的工具”;系列成果被Nature期刊积极评价,团队受到国际权威刊物JPD邀请撰写“Acoustic tweezers”综述长文,受国际超声大会作专题邀请报告。相关成果获得了深圳市自然科学一等奖。

2.1 超振荡波束与声学超透镜研究

超声团队郑海荣研究员、蔡飞燕研究员与华中料技大学祝雪丰教授、新加坡国立大学仇成伟教授合作在超振荡波束与声学超透镜研究取得进展。相关研究成果以"Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an a∞ustic meta-Iens" ( 基于超振荡波束的声学超透镜) 为题, 于2019年7月30日发表于《自然一通讯>> ( Nature Communications ) 。


      基于超振荡原理的声学超透镜           基于亚波长超振荡声场捕获微粒          Nat Commun 10, 3411 (2019).


2.2 基于多维复杂声场的声镊研究

郑海荣团队在基于人工周期结构的复杂声场操撞微流体方面取得系列进展, 该系列工作可为发展基于声子晶体的新型微流体器件提供理论基础和技术支撑, 在快速混合、细胞/颗粒筛选、药物输运、基因转染、神经剌激、细胞操控等生物医学应用方面具有重要应用前景。


(a)期刊封面(Journal of Applied Physics, 2019, 125, 134903。);(b)颗粒在声子晶体调制声场中的声泳运动示意图和计算得到的不同尺寸颗粒的运动轨迹;(c)双声子晶体板亚波长狭缝中的声压场p1、声质点速度场u1和超快速类Rayleigh流场u2


2.3 基于声镊技术的生物效应研究

团队设计并制备了粒径均匀的气泡阵列,通过超声激发微气泡阵列的共振吸引、捕获细胞,利用气泡阵列的稳态空化,实现了单细胞水平的并行、高效的声致穿孔效应调控。同时,发现超声可有效操控中空纳米金颗粒,最小操控粒径可达100nm,理解了中空结构对声波敏感性的影响,通过声场的设计可实现对纳米金颗粒的任意排列。


利用微泡阵列共振实验并行化调控细胞膜通透性;

通过声场设计实现对纳米颗粒的任意排列

Advanced Science 6 (17), 1900557 (2019).

Lab Chip 19 (20), 3387 (2019).





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