정의헌 (광주과학기술원(GIST)) | 한빛사논문 > 한빛사

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광주과학기술원(GIST)

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Brain Stimul., Jul 03 2026, S1935-861X(26)00135-X | https://doi.org/10.1016/j.brs.2026.103158 High-Fidelity Transcranial Ultrasound Multi-focal Stimulation via Physics-Aware Hologram Technique

Moon Hwan Lee ^{1 4}, Mohd. Afzal Khan ¹, Akm Ashiquzzaman², Eunbin Lee ², Jonghun Lee ¹, Euiheon Chung ^{2 *}, Hyuk-Sang Kwon^{2 *}, Jae Youn Hwang^{1 3 *}

¹Department of Electrical Engineering and Computer Science, DGIST, Daegu, 42988, South Korea
²Department of Biomedical Science and Engineering, GIST, Gwangju, 61005, South Korea
³Biomedical Engineering Program, DGIST, Daegu, 42988, South Korea

⁴Present address: Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg, 69120, Germany.

^*Corresponding authors: correspondence to Euiheon Chung, Hyuk-Sang Kwon or Jae Youn Hwang

Abstract

Introduction
Transcranial ultrasound stimulation (TUS) is an emerging non-invasive neuromodulation modality that offers deep brain access with high spatial precision. However, its broader application is limited by the difficulty of reliably generating complex transcranial acoustic fields, particularly for multi-target stimulation through the skull. These limitations can lead to focal distortion, off-target exposure, and reduced reliability of neuromodulation outcomes.

Materials and Methods
Here, we introduce a physics-aware hologram technique for precise transcranial ultrasound neuromodulation. Unlike conventional approaches that rely on simplified phase-based approximations, the proposed method generates fabrication-ready holographic implementations while preserving consistency between numerical field synthesis and physical acoustic realization. This enables accurate formation of single-, dual-, and tri-focal stimulation patterns under transcranial conditions and improves localized targeting for multi-region neuromodulation. We validated the proposed technique through in silico simulations, ex vivo acoustic measurements through skulls, and in vivo experiments.

Results
Compared with state-of-the-art methods, the proposed approach achieved improved focal reconstruction, enhanced energy confinement at intended targets, and reduced off-target acoustic leakage. To further assess functional relevance, we applied this approach in a neuropathic pain mouse model using simultaneous bilateral stimulation of the thalamic nuclei. The stimulation induced measurable changes in neuronal activity, reflected by reduced c-Fos expression, together with preliminary improvements in pain-related behavioral responses. These findings support the capability of the proposed technique to enable spatially localized and reproducible neuromodulation in vivo.

Conclusion
Collectively, this work provides a practical proof-of-concept strategy for achieving high-precision, multi-target transcranial neuromodulation and supports further investigation of TOAH for neuroscience research and future therapeutic applications.

논문소개전체 설명

경두개 집속초음파자극(Transcranial Focused Ultrasound Stimulation, tFUS)은 절개 없이 두개골 밖에서 뇌 깊은 부위까지 초음파를 전달하여 신경활동을 조절할 수 있는 비침습적 신경조절 기술로 주목받고 있습니다. 특히 하나의 초음파 소자만으로 여러 뇌 영역을 동시에 자극할 수 있는 음향 홀로그램(acoustic hologram) 기술은 기존 다채널 위상배열 시스템보다 구조가 단순하고 비용이 낮다는 장점 때문에 최근 활발히 연구되고 있습니다. 그러나 두개골은 초음파를 굴절·산란·감쇠시키기 때문에 원하는 위치에 정확한 음향장을 형성하기 어렵고, 이러한 문제는 여러 표적을 동시에 자극하는 다중초점 환경에서 더욱 심각해집니다.

기존의 대부분의 음향 홀로그램 설계 방법은 먼저 이상적인 위상 분포를 계산한 뒤 이를 실제 제작 가능한 렌즈의 두께로 변환하는 방식을 사용합니다. 하지만 이러한 접근은 실제 렌즈의 3차원 구조와 제작 과정에서 발생하는 물리적 특성을 충분히 반영하지 못하기 때문에, 시뮬레이션에서는 정확했던 음향장이 실제 제작된 렌즈에서는 왜곡되는 문제가 있었습니다. 특히 두개골을 통과하는 환경에서는 이러한 설계-구현 간 불일치가 더욱 커져 표적 정확도와 초점 간 에너지 균형이 저하되는 한계가 있었습니다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 '두께 전용 음향 홀로그램(Thickness-Only Acoustic Hologram, TOAH)' 기법을 제안했습니다. TOAH는 기존처럼 위상 분포를 먼저 설계한 뒤 두께로 변환하는 대신, 실제 제작 가능한 3차원 홀로그램 렌즈 자체를 음향 전달 과정과 함께 하나의 물리 모델에서 직접 최적화하는 physics-aware 설계 프레임워크입니다. 이를 통해 계산으로 설계한 음향장과 실제 제작된 홀로그램 렌즈가 생성하는 음향장 사이의 차이를 크게 줄일 수 있었습니다.

제안한 방법은 수치 시뮬레이션과 생쥐 두개골을 이용한 ex vivo 실험을 통해 기존 방법보다 높은 설계-구현 일치도와 다중초점 간 우수한 에너지 균형을 보였으며, 두개골 발열 또한 효과적으로 억제함을 확인했습니다. 또한 신경병증성 통증 생쥐 모델에서 양측 시상핵을 동시에 자극한 결과, 통증 행동이 유의하게 개선되고 신경활동 지표인 c-Fos 발현이 감소하는 것을 확인하여 실제 신경조절 가능성을 입증했습니다. 사람 두개골 CT 기반 시뮬레이션에서도 기존 시간반전(Time Reversal) 기법보다 높은 공간적 정확도와 에너지 균형을 보여 향후 임상 적용 가능성도 확인했습니다.

이번 연구는 단순히 새로운 홀로그램 설계 알고리즘을 제안한 것을 넘어, 계산 단계와 실제 물리적 구현을 하나의 최적화 과정으로 통합하는 새로운 설계 패러다임을 제시했다는 점에서 의미가 있습니다. 이러한 접근은 초음파 뇌자극뿐 아니라 다양한 음향 홀로그램 및 초음파 집속 기술에도 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.

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