近日，浙江大学吴勇军教授、黄玉辉副教授团队在经颅超声超材料的研究领域取得重要进展。团队基于Fano共振和Mie共振理论，创新性地设计了一种结构简单且参数可调的柔性声学超材料，显著提升超声经颅传输效率，为经颅超声刺激技术在神经调控、脑疾病治疗等医疗领域的实际应用奠定了坚实的理论和技术基础。该研究成果以“Achieving High-Performance Transcranial Ultrasound Transmission through Mie and Fano Resonance in Flexible Metamaterials”为题发表于《Advanced Science》。论文第一作者为浙江大学博士研究生陈洁，通讯作者为浙江大学黄玉辉副教授、浙江工业大学李涓副教授。南京大学卢明辉教授、中国科学院深圳先进技术研究院蔡飞燕研究员、浙江大学医学院附属妇产科医院秦佳乐主任医师、浙江大学洪子健研究员和杭州电子科技大学刘兵副教授对该工作做出了重要指导。该工作得到了国家重点研发计划等相关项目支持。
经颅超声刺激（Transcranial Ultrasound Stimulation, TUS）作为一种前沿的非侵入性神经调控技术，因其能够精准刺激大脑目标神经元区域而在神经调控及脑疾病治疗等领域展现出巨大的应用潜力。然而，该技术的实际应用受到颅骨与周围软组织间显著声阻抗失配的严重限制，导致超声波在颅骨-组织界面处发生强烈反射。此外，颅骨厚度的区域性差异（如额骨较薄、颞骨较厚）、表面曲率变化及其内部多孔结构进一步加剧了超声波传播路径的复杂性，引发显著的散射和衰减效应。这些问题共同削弱了超声波在目标脑区的聚焦强度，严重制约了经颅超声的治疗效果和神经调控的精准性。
针对上述技术瓶颈，研究领域近年来提出了多种优化策略，包括声窗优化、相位调控以及声学超材料设计等。其中，声学超材料因其独特的声学特性和灵活的设计自由度，被视为提升经颅超声传输效率的关键途径。然而，传统刚性超材料在实际应用中存在以下局限性：制备工艺复杂、工作频率范围受限、与生物组织的适应性差以及难以完全贴合颅骨的曲率结构，这些因素极大地限制了其临床应用可行性。
针对上述技术瓶颈，该研究创新性地融合法诺共振（Fano resonance）与米氏共振（Mie resonance）理论，提出了一种基于米氏共振型柔性超材料（Mie-resonance flexible metamaterial, MRFM）的经颅超声传输增强新机制。该创新方案的核心物理机制在于：Fano共振是一种具有非对称线型的基本散射共振现象，其独特线形来自于连续态散射波与离散态激发波之间的干涉。在该研究中，颅骨声学特性贡献了Fano共振所需的连续态（表现为平缓透射谱和宽带结构），而MRFM则提供了关键的离散态（表现为具有尖锐对称共振峰的透射谱和窄带结构）。具体而言，MRFM采用低声速微柱周期阵列嵌入高声速柔性水凝胶基底的创新结构，基于米氏散射理论，高折射率微柱可激发多重共振模式，其中MRFM的单极共振模式与颅骨连续态耦合形成Fano共振，最终在特定频率f0处产生显著的非对称透射增强峰。这种耦合作用不仅重构了系统的能带结构，更实现了经颅超声传输效率的突破性提升，仿真结果表明，该方案使平板颅骨模型在0.309 MHz频率下的经颅超声透射率从33.7% 提升至 75.2%，如图1所示。
图1： (a) MRFM在经颅超声刺激中的目标应用示意图；(b) Fano共振增强超声穿颅传输效率示意图；(c) 超声透射谱；(d) 能带结构；(e) 超声声压分布。
为深入解析MRFM的超声增强机制，本研究通过时-空维度量化分析了声强分布特征（忽略损耗效应），系统对比了有无MRFM条件下的超声穿颅传输性能。研究结果表明，由于颅骨与周围介质存在显著声阻抗差异，平面波在穿透颅骨时表现出明显的声强衰减效应，如图2a-2c所示。当引入MRFM后，声强保持率和声压振幅均获得显著提升，并呈现动态增强特性，如图2d-2f所示。这种时-空演化特性证实了Fano共振在优化声波传输路径、降低界面反射损耗方面的关键作用。
图2： (a-c)平面波通过平板颅骨模型时的时域示意图、声强分布及时域声压信号（时域仿真忽略损耗效应）；(d-f)平面波通过MRFM与平板颅骨模型的时域示意图、声强分布及时域声压信号。
该研究还系统考察了MRFM与颅骨结构参数对经颅超声传输性能的调控机制，揭示了MRFM可定制化设计特性，如图3所示。结果表明， MRFM的共振频率fm由其固有结构特性决定，可通过调节MRFM的结构参数规律性调节共振频率fm。透射峰频率f0由MRFM和颅骨的结构参数共同决定，这一特性为实现定制化设计提供了重要依据。通过根据特定颅骨参数优化MRFM结构，可精准调控透射峰频率，从而满足不同应用场景的需求。
图3：不同MRFM和颅骨结构参数对经颅超声透射率、米氏共振频率与透射峰频率的影响。(a) 颅骨厚度；(b) 微柱半径；(c) 微柱间距。
针对颅骨曲面形态与厚度不均的特性，该研究基于CT影像建立了真实颅骨模型进行时域声场分析。研究表明当阵列式分布MRFM时，各微柱单元与颅骨间距差异导致结构参数不一致，削弱Fano共振效应，如图4d-4f所示。然而，柔性MRFM可精确贴合颅骨曲面形态。通过约束微柱排布方式使其适应颅骨曲率，MRFM与颅骨单元形成稳定的结构匹配，从而产生显著的超声增强透射效果，如图4g-4i所示。仿真结果表明，这种共形贴附能有效激发强Fano共振，大幅提升声强透射率与声压振幅，并呈现稳定的时域演化特性，证实采用类水特性的柔性基底对实现高效经颅超声传输具有重要作用。
图4： 基于弯曲颅骨模型和MRFM的超声传输仿真示意图、声强分布及时域声压信号。(a-c) 仅弯曲颅骨；(d-f) 阵列式排布MRFM与弯曲颅骨；(g-i) 共形贴附MRFM与弯曲颅骨。
最后，研究团队创新性地选用多孔泡沫镍阵列作为米氏散射单元，将其嵌入生物相容性良好的琼脂糖水凝胶基底中，成功制备出性能优异的MRFM样品，如图5a所示。实验结果显示，当MRFM放置于平板颅骨仿体前端时，在0.33MHz处观察到了明显的Fano共振增强峰，这一结果与数值模拟预测基本吻合，如图5c所示。超声扫场测试进一步证实MRFM显著提升了超声波的经颅传输效率（如图5d和5e所示）。
图5：(a) 制备的MRFM实物图与光镜图；(b) 实验测试装置示意图；(c) 有/无MRFM时平板颅骨的超声透射谱；(d) 仅平板颅骨仿体的超声扫场图；(e) MRFM与平板颅骨仿体的超声扫场图。
本研究创新性地提出一种基于米氏共振型柔性超材料（Mie-resonance flexible metamaterial, MRFM）的经颅超声传输增强新机制，具有穿颅透射增强特性、柔性贴附以及结构可调性的MRFM不仅为经颅超声调控技术的发展提供了全新的解决方案，还为其临床应用奠定了坚实的理论与实验基础，使其在神经调控、脑疾病治疗等生物医学领域具有广阔的应用前景。未来，研究团队将进一步优化MRFM的设计，探索其在复杂颅骨模型及活体实验中的应用效果，为推进经颅超声技术在临床中的实际应用提供更全面的支持。
论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202500170
