开发专门的波前整形技术以实现通过骨结构的可靠聚焦，对于超声诊断成像和治疗应用至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。超声波前工程的一个有前景的进展是使用声学涡旋束。声学涡旋束以其由相互缠绕的螺旋形成的独特旋转波前而著称，能够远程操控粒子[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。这些束的产生可以追溯到光学操控领域，这一突破性概念获得了2018年诺贝尔物理学奖的认可[12]，后来由Hefner和Marston在螺旋形超声换能器方面的开创性工作引入了声学领域[13]。它在物理学和生物学等领域具有变革潜力[10]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。这种潜力的证据可以在先驱实验中看到，例如在猪膀胱中操控玻璃球[22]、在小鼠表皮血管中捕获微气泡[23]、在斑马鱼胚胎中操控微粒子[24]以及操控表达GV的细菌[25]。
由于声学涡旋具有轨道角动量和环形捕获潜力，它们在粒子和细胞操控方面引起了越来越多的兴趣。Marzo等人[26]和Baresch等人[27]首次报道了利用涡旋实现的非接触式操控实验，展示了悬浮物体的稳定捕获和可控旋转。最近的研究，包括Jia等人的优雅工作[28]，证明了螺旋相位超表面可以生成用于自由空间差分成像等应用的声学涡旋。它们具有更强的捕获力、更深的组织穿透潜力以及更大的扭矩，因此非常有前景[29]。与此同时，经颅聚焦超声（tFUS）技术也值得关注。这种非侵入性方法能够调节神经活动[30]、[31]、[32]、[33]、实现靶向药物递送[34]、[35]、[36]、[37]、[38]，甚至消融病变组织[40]、[41]、[42]、[43]、[44]，有望开启医疗治疗和研究的新时代。除了传统的聚焦功能外，声学涡旋还因其轨道角动量（OAM）而提供了独特的功能。由此产生的辐射扭矩和空心核心限制使得微物体的可控旋转、环形多物体捕获以及螺旋微流成为可能。这些效应已被证明对生物医学任务有益，例如血栓碎裂（涡旋增强的溶栓）、活体生物体内的微气泡和微粒子操控，甚至操控工程细菌。这些报告表明，涡旋束不仅仅是替代的焦点，还提供了可以功能性利用的额外物理自由度。将声学涡旋束与tFUS结合使用尤其具有吸引力：它能够将传统聚焦产生的线性动量（产生轴向声辐射力）和涡旋场产生的轨道角动量（产生扭矩和旋转效应）应用于大脑内的目标。这可以改进在骨包裹结构内的粒子、细胞或药物载体的操控，并提供新的方法来用机械扭矩以及压力刺激或调节神经回路。
尽管前景广阔，但通过骨头传输聚焦涡旋超声仍面临重大挑战。人类颅骨是一层厚而不规则的皮质骨，内部有松质（双层）核心；其复杂的几何形状、硬度和多孔弹性结构导致超声波的强烈散射、折射和衰减。这通常会导致超声束的像差和失焦，也阻碍了在大脑内部生成声学涡旋[45]、[46]、[47]、[48]。虽然具有可控相位的主动设备阵列提供了一个潜在的解决方案，但这些阵列需要大量的换能器元件和复杂的电子设备[26]、[49]、[50]、[51]。也开发了被动像差校正元件，如定制的声学透镜或全息图。早期的3D打印声学透镜通过根据颅骨CT扫描数据塑造单个换能器的波前，证明了针对患者的相位校正是可行的[52]、[53]。然而，这种传统透镜仅在一个位置产生固定焦点（在制造时确定）。一旦透镜制成并放置，它就会产生针对单一目标的静态场，除非换能器或透镜被机械移动。这种静态特性限制了它们在需要动态转向或重新聚焦到不同位置的应用中的实用性。
鉴于这些挑战，我们的研究旨在开发一种二元声学超表面（BAM）透镜，它具有双重用途：（1）校正由颅骨骨引起的波形失真；（2）在不移动设备的情况下实现经颅（即穿过颅骨）的聚焦超声涡旋的动态转向。通过将全息相位分布二值化，BAM可以以频率依赖的方式操控传输的波前。本质上，我们的设计过程结合了抵消颅骨像差所需的共轭相位和生成声学涡旋所需的相位模式。然后将得到的相位图简化为两个离散的相位级别（0和π/2），以创建一个易于制造的二元相位超表面。我们假设，当这种BAM放置在单个换能器和颅骨之间时，可以通过改变驱动频率在大脑内部产生高保真的聚焦涡旋，并电子方式沿光束轴调整其焦点位置。接下来，我们将介绍设计方法（包括基于颅骨CT的建模和时间反转相位计算）、BAM的制造过程，以及对其校正颅骨像差和操控涡旋束性能的全面评估。这些方法不仅可能对治疗应用具有潜力，也可能对未来的诊断策略具有潜力，尽管还需要进一步的研究。
