近日，浙江大學(xué)吳勇軍教授、黃玉輝副教授團(tuán)隊在經(jīng)顱超聲超材料的研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊基于Fano共振和Mie共振理論，創(chuàng)新性地設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單且參數(shù)可調(diào)的柔性聲學(xué)超材料，顯著提升超聲經(jīng)顱傳輸效率，為經(jīng)顱超聲刺激技術(shù)在神經(jīng)調(diào)控、腦疾病治療等醫(yī)療領(lǐng)域的實際應(yīng)用奠定了堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。該研究成果以“Achieving High-Performance Transcranial Ultrasound Transmission through Mie and Fano Resonance in Flexible Metamaterials”為題發(fā)表于《Advanced Science》。論文第一作者為浙江大學(xué)博士研究生陳潔，通訊作者為浙江大學(xué)黃玉輝副教授、浙江工業(yè)大學(xué)李涓副教授。南京大學(xué)盧明輝教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院蔡飛燕研究員、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院秦佳樂主任醫(yī)師、浙江大學(xué)洪子健研究員和杭州電子科技大學(xué)劉兵副教授對該工作做出了重要指導(dǎo)。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃等相關(guān)項目支持。

經(jīng)顱超聲刺激（Transcranial Ultrasound Stimulation, TUS）作為一種前沿的非侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，因其能夠精準(zhǔn)刺激大腦目標(biāo)神經(jīng)元區(qū)域而在神經(jīng)調(diào)控及腦疾病治療等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，該技術(shù)的實際應(yīng)用受到顱骨與周圍軟組織間顯著聲阻抗失配的嚴(yán)重限制，導(dǎo)致超聲波在顱骨-組織界面處發(fā)生強(qiáng)烈反射。此外，顱骨厚度的區(qū)域性差異（如額骨較薄、顳骨較厚）、表面曲率變化及其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加劇了超聲波傳播路徑的復(fù)雜性，引發(fā)顯著的散射和衰減效應(yīng)。這些問題共同削弱了超聲波在目標(biāo)腦區(qū)的聚焦強(qiáng)度，嚴(yán)重制約了經(jīng)顱超聲的治療效果和神經(jīng)調(diào)控的精準(zhǔn)性。

針對上述技術(shù)瓶頸，研究領(lǐng)域近年來提出了多種優(yōu)化策略，包括聲窗優(yōu)化、相位調(diào)控以及聲學(xué)超材料設(shè)計等。其中，聲學(xué)超材料因其獨(dú)特的聲學(xué)特性和靈活的設(shè)計自由度，被視為提升經(jīng)顱超聲傳輸效率的關(guān)鍵途徑。然而，傳統(tǒng)剛性超材料在實際應(yīng)用中存在以下局限性：制備工藝復(fù)雜、工作頻率范圍受限、與生物組織的適應(yīng)性差以及難以完全貼合顱骨的曲率結(jié)構(gòu)，這些因素極大地限制了其臨床應(yīng)用可行性。

針對上述技術(shù)瓶頸，該研究創(chuàng)新性地融合法諾共振（Fano resonance）與米氏共振（Mie resonance）理論，提出了一種基于米氏共振型柔性超材料（Mie-resonance flexible metamaterial, MRFM）的經(jīng)顱超聲傳輸增強(qiáng)新機(jī)制。該創(chuàng)新方案的核心物理機(jī)制在于：Fano共振是一種具有非對稱線型的基本散射共振現(xiàn)象，其獨(dú)特線形來自于連續(xù)態(tài)散射波與離散態(tài)激發(fā)波之間的干涉。在該研究中，顱骨聲學(xué)特性貢獻(xiàn)了Fano共振所需的連續(xù)態(tài)（表現(xiàn)為平緩?fù)干渥V和寬帶結(jié)構(gòu)），而MRFM則提供了關(guān)鍵的離散態(tài)（表現(xiàn)為具有尖銳對稱共振峰的透射譜和窄帶結(jié)構(gòu)）。具體而言，MRFM采用低聲速微柱周期陣列嵌入高聲速柔性水凝膠基底的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，基于米氏散射理論，高折射率微柱可激發(fā)多重共振模式，其中MRFM的單極共振模式與顱骨連續(xù)態(tài)耦合形成Fano共振，最終在特定頻率f0處產(chǎn)生顯著的非對稱透射增強(qiáng)峰。這種耦合作用不僅重構(gòu)了系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)，更實現(xiàn)了經(jīng)顱超聲傳輸效率的突破性提升，仿真結(jié)果表明，該方案使平板顱骨模型在0.309 MHz頻率下的經(jīng)顱超聲透射率從33.7% 提升至 75.2%，如圖1所示。

圖1： (a) MRFM在經(jīng)顱超聲刺激中的目標(biāo)應(yīng)用示意圖；(b) Fano共振增強(qiáng)超聲穿顱傳輸效率示意圖；(c) 超聲透射譜；(d) 能帶結(jié)構(gòu)；(e) 超聲聲壓分布。

為深入解析MRFM的超聲增強(qiáng)機(jī)制，本研究通過時-空維度量化分析了聲強(qiáng)分布特征（忽略損耗效應(yīng)），系統(tǒng)對比了有無MRFM條件下的超聲穿顱傳輸性能。研究結(jié)果表明，由于顱骨與周圍介質(zhì)存在顯著聲阻抗差異，平面波在穿透顱骨時表現(xiàn)出明顯的聲強(qiáng)衰減效應(yīng)，如圖2a-2c所示。當(dāng)引入MRFM后，聲強(qiáng)保持率和聲壓振幅均獲得顯著提升，并呈現(xiàn)動態(tài)增強(qiáng)特性，如圖2d-2f所示。這種時-空演化特性證實了Fano共振在優(yōu)化聲波傳輸路徑、降低界面反射損耗方面的關(guān)鍵作用。

圖2： (a-c)平面波通過平板顱骨模型時的時域示意圖、聲強(qiáng)分布及時域聲壓信號（時域仿真忽略損耗效應(yīng)）；(d-f)平面波通過MRFM與平板顱骨模型的時域示意圖、聲強(qiáng)分布及時域聲壓信號。

該研究還系統(tǒng)考察了MRFM與顱骨結(jié)構(gòu)參數(shù)對經(jīng)顱超聲傳輸性能的調(diào)控機(jī)制，揭示了MRFM可定制化設(shè)計特性，如圖3所示。結(jié)果表明， MRFM的共振頻率fm由其固有結(jié)構(gòu)特性決定，可通過調(diào)節(jié)MRFM的結(jié)構(gòu)參數(shù)規(guī)律性調(diào)節(jié)共振頻率fm。透射峰頻率f0由MRFM和顱骨的結(jié)構(gòu)參數(shù)共同決定，這一特性為實現(xiàn)定制化設(shè)計提供了重要依據(jù)。通過根據(jù)特定顱骨參數(shù)優(yōu)化MRFM結(jié)構(gòu)，可精準(zhǔn)調(diào)控透射峰頻率，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。

圖3：不同MRFM和顱骨結(jié)構(gòu)參數(shù)對經(jīng)顱超聲透射率、米氏共振頻率與透射峰頻率的影響。(a) 顱骨厚度；(b) 微柱半徑；(c) 微柱間距。

針對顱骨曲面形態(tài)與厚度不均的特性，該研究基于CT影像建立了真實顱骨模型進(jìn)行時域聲場分析。研究表明當(dāng)陣列式分布MRFM時，各微柱單元與顱骨間距差異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)不一致，削弱Fano共振效應(yīng)，如圖4d-4f所示。然而，柔性MRFM可精確貼合顱骨曲面形態(tài)。通過約束微柱排布方式使其適應(yīng)顱骨曲率，MRFM與顱骨單元形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)匹配，從而產(chǎn)生顯著的超聲增強(qiáng)透射效果，如圖4g-4i所示。仿真結(jié)果表明，這種共形貼附能有效激發(fā)強(qiáng)Fano共振，大幅提升聲強(qiáng)透射率與聲壓振幅，并呈現(xiàn)穩(wěn)定的時域演化特性，證實采用類水特性的柔性基底對實現(xiàn)高效經(jīng)顱超聲傳輸具有重要作用。

圖4： 基于彎曲顱骨模型和MRFM的超聲傳輸仿真示意圖、聲強(qiáng)分布及時域聲壓信號。(a-c) 僅彎曲顱骨；(d-f) 陣列式排布MRFM與彎曲顱骨；(g-i) 共形貼附MRFM與彎曲顱骨。

最后，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地選用多孔泡沫鎳陣列作為米氏散射單元，將其嵌入生物相容性良好的瓊脂糖水凝膠基底中，成功制備出性能優(yōu)異的MRFM樣品，如圖5a所示。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)MRFM放置于平板顱骨仿體前端時，在0.33MHz處觀察到了明顯的Fano共振增強(qiáng)峰，這一結(jié)果與數(shù)值模擬預(yù)測基本吻合，如圖5c所示。超聲掃場測試進(jìn)一步證實MRFM顯著提升了超聲波的經(jīng)顱傳輸效率（如圖5d和5e所示）。

圖5：(a) 制備的MRFM實物圖與光鏡圖；(b) 實驗測試裝置示意圖；(c) 有/無MRFM時平板顱骨的超聲透射譜；(d) 僅平板顱骨仿體的超聲掃場圖；(e) MRFM與平板顱骨仿體的超聲掃場圖。