创新背景

磁共振成像(MRI)通常是获得高分辨率大脑图像的最佳方法，它的使用目前对许多神经疾病的研究至关重要，包括中风、脑癌和脑损伤。
尽管如此，核磁共振成像需要大型、复杂、昂贵、不可携带的机器冷却到绝对零度以上3度，而且它不能用于那些不能严格排除金属植入物或异物存在的患者。这使得急救意识可能发生改变的病人，如疑似中风的病人，变得困难或不可能。
研究人员表示，如果在人体试验中获得成功，他们的设备将克服这些障碍。

创新过程

研究人员相信这项技术将是安全的，因为声波已经被用于超声波扫描，而这项技术使用了类似的声音强度。超声波不能轻易穿透骨骼，而新设备被设计成可以像头盔一样佩戴，能够克服这一障碍。该研究的主要作者、帝国理工学院地球科学与工程系的Lluís Guasch博士说:“一种已经彻底改变了一个领域的成像技术——地震成像——现在有可能彻底改变另一个领域——大脑成像。”

地球科学家使用地震数据和一种叫做全波形反演(FWI)的计算技术来绘制地球内部的地图。来自地震探测器(地震仪)的地震数据被插入到FWI算法中，该算法可以提取地壳的3D图像，用于预测地震和搜索油气储层。现在，研究人员已经将这种方法应用于医学成像，开发了一种利用声波的方法，最终目的是产生高分辨率的大脑图像。
他们制作了一个头盔，内衬有一排声学传感器，每个传感器都能通过头骨发送声波。通过头部传播的超声波能量被记录下来，并通过头盔输入电脑。然后用FWI分析声音在头骨内的回响，构建出头骨内部的3D图像。研究人员在一名健康的志愿者身上测试了他们的头盔，发现所记录信号的质量足以让算法生成详细的图像，他们相信来自大脑的分散能量是可以解释的。通过计算机建模，他们还发现可以获得高分辨率的图像，声音频率低到足以在安全强度下穿透头骨。

他们基于不同类型的人类大脑组织的特性创建了详细的计算机模拟，以确定声波可以有效地合成高分辨率的大脑图像。
Guasch博士说:“这是首次将FWI应用于人类头骨内部成像。”FWI通常在地球物理学中用于绘制地球结构，但我们由地球科学家、生物工程师和神经学家组成的多学科合作团队正在使用它创建一种安全、廉价和便携的方法来生成人脑的3D超声图像。”
研究报告的合著者、伦敦大学学院女王广场神经学研究所的帕拉什科夫·纳切夫教授说:“这生动地说明了高级计算在医学上的非凡力量。将算法创新与超级计算相结合，可以让我们从安全、相对简单的环境中检索出高分辨率的大脑图像

创新价值

这种新方法对中风患者具有特殊的价值——中风是第二常见的死亡原因，也是成人神经功能障碍的最常见原因——在这些患者中，快速、普遍适用、高保真成像至关重要。

创新关键点

与现有的MRI、CT和PET扫描等脑成像方法不同，该技术可以应用于任何患者的成像，并适合于对高依赖患者的持续监测。它可以通过一个相对较小的设备运送，这也可能使它可以通过救护车携带，并能够在到达医院之前进行快速调查。

创新主体

伦敦大学学院（University College London，简称：UCL ），1826年创立于英国伦敦，是一所公立研究型大学，为伦敦大学联盟的创校学院、罗素大学集团和欧洲研究型大学联盟创始成员，被誉为金三角名校和“G5超级精英大学”之一。
UCL是伦敦的第一所大学，以其多元的学科设置著称，于REF 2014 英国大学官方排名中，位列全英之冠，享有最多的科研经费。UCL的医学、解剖学和生理学、建筑学、教育学、考古学、计算机科学、计算金融学等学科排名均位居世界前列，与LSE并称为“英国现代经济学研究的双子星”；其人文学院颁发的奥威尔奖则是政治写作界的最高荣誉。

Innovative use of seismic imaging technology for brain imaging

The researchers believe the technique will be safe because sound waves are already used in ultrasound scans, which use similar sound intensities. The new device is designed to be worn like a helmet, overcoming an obstacle that ultrasound waves cannot easily penetrate bone. "An imaging technique that has revolutionized one field - seismic imaging - now has the potential to revolutionize another - brain imaging," said lead author Dr Lluis Guasch, from the Department of Earth Sciences and Engineering at Imperial College.
Professor Bryan Williams, director of the Biomedical Research Centre at UCL Hospitals, National Institute for Health Research, which part-funded the study, said: "This is a remarkable and novel development in brain imaging that has huge potential to provide accessible brain imaging in routine clinical practice, To evaluate the brain for head trauma, stroke and various brain diseases."
Earth scientists use seismic data and a computational technique called full waveform inversion (FWI) to map the Earth's interior. Seismic data from seismic detectors (seismometers) are inserted into the FWI algorithm, which extracts 3D images of the Earth's crust for earthquake prediction and search for oil and gas reservoirs. Now, researchers have applied this approach to medical imaging, developing a method that uses sound waves with the ultimate aim of producing high-resolution images of the brain.
They built a helmet lined with an array of acoustic sensors, each of which sends sound waves through the skull. Ultrasonic energy traveling through the head is recorded and fed into a computer through the helmet. FWI was then used to analyze the reverberation of the sound inside the skull to build a 3D image of its interior. The researchers tested their helmet on a healthy volunteer and found that the quality of the recorded signal was sufficient for the algorithm to generate detailed images, and they believe the scattered energy from the brain can be explained. Using computer modeling, they also found that high-resolution images could be obtained with sound frequencies low enough to penetrate the skull at a safe intensity.
They created detailed computer simulations based on the properties of different types of human brain tissue to determine how efficiently sound waves can synthesize high-resolution brain images.
"This is the first time FWI has been applied to image the inside of the human skull," said Dr Guasch. FWI is commonly used in geophysics to map the Earth's structure, but our multidisciplinary collaborative team of geoscientists, bioengineers, and neuroscientists is using it to create a safe, inexpensive, and portable way to generate 3D ultrasound images of the human brain."
Co-author Professor Palashkov Natchev, of the Queen's Square Neurological Institute at University College London, said: "This is a vivid illustration of the extraordinary power of advanced computing in medicine. Combining algorithmic innovation with supercomputing allows us to retrieve high-resolution brain images from a safe, relatively simple environment.