移动式功能性超声成像技术在人脑活动监测中的突破性研究

作者与发表信息

本研究由Sadaf Soloukey等来自荷兰伊拉斯姆斯医学中心（Erasmus MC）神经科学系、神经外科系等多个部门的跨学科团队完成，发表于Science Advances期刊2025年6月18日第11卷，文章编号eadu9133。

学术背景

本研究属于神经工程学与医学影像交叉领域，聚焦于开发一种新型的功能性超声成像（functional ultrasound imaging, fUSI）技术用于自然行为状态下的人脑活动监测。传统神经影像技术如功能磁共振成像（fMRI）虽能提供全脑高分辨率成像，但受限于设备体积和运动限制；而便携技术如脑电图（EEG）则无法实现深部脑结构的高分辨率成像。fUSI技术通过检测脑微血管血流动力学变化（neurovascular coupling，神经血管耦合）间接反映神经活动，兼具高时空分辨率（~200 μm，~5 cm深度）与便携性优势。然而，颅骨对超声的强烈衰减效应限制了其临床应用场景。

研究团队基于临床常用的聚醚醚酮（PEEK）颅骨植入物的声透性特性，首次实现了在行走等自然行为状态下的实时脑功能成像，旨在突破传统神经影像的技术局限，为临床和神经科学研究提供新的工具。

研究方法与流程

1. 受试者招募与准备

研究纳入两名30余岁男性受试者： - 受试者#1：因创伤性颅脑损伤接受左侧半颅切除及PEEK植入术（尺寸130×162×44 mm，厚度4 mm），存在语言和右侧肢体运动障碍 - 受试者#2：因右侧岛叶低级别星形细胞瘤切除术后接受PEEK植入

研究历时近2年，受试者#1完成7次测量（包含行走实验），受试者#2因肿瘤复发去世前完成2次测量。所有实验均通过伦理审查（MEC-2019-0689和MEC-2022-0087）。

2. 个性化3D打印fUSI头盔系统开发

为解决超声探头定位稳定性问题，研究团队创新性地开发了基于MRI头型数据的个性化3D打印头盔（材料：聚乳酸，PLA）： - 集成光学追踪几何体（Northern Digital Inc. Polaris Vega系统，20 Hz采样率） - 定制探头插槽确保重复测量时成像平面一致性 - 针对感觉运动皮层唇部代表区（precentral/postcentral gyrus）设计双平面成像方案（原始平面与正交90°平面）

3. 多模态数据采集系统

实验系统包含： - 超声成像：Verasonics Vantage-256研究系统搭配GE 9L-D线阵探头（5.3 MHz） - 平面波成像（10个-12°至12°等间距角度，PRF 800 Hz） - 功率多普勒图像（PDI）帧率4 Hz - 光学追踪：实时记录探头与头盔六自由度运动数据 - 视频分析：MediaPipe算法提取唇部运动特征（60 fps） - 移动推车系统：实现室外100米范围内行走实验

4. 功能任务设计

采用唇部感觉运动范式验证技术可靠性： - 运动任务：唇部撅起（lip pouting）、舔唇（lip licking） - 感觉任务：刷唇刺激（lip brushing） - 控制任务：前额/耳部/手部刷刺激、想象任务 - 行走实验：视觉/听觉提示下的同步行走与任务执行

5. 数据处理流程

创新性算法处理包括： 1. 超声畸变校正：针对PEEK植入物的声速差异（较脑组织高15%），开发多层射线追踪模型实现解剖定位精确校正 2. 血流动力学响应函数（HRF）估计：基于行走实验训练集，通过基函数加权和优化获得fUSI特异性HRF（峰值延迟3.8秒） 3. 功能激活分析： - 奇异值分解（SVD）去除静态组织信号（保留93%成分） - 像素级Pearson相关分析（PCC>3×噪声SD判定功能像素） - 基于光学追踪的运动校正（平均位移误差<60 μm）

主要研究结果

1. 长期稳定的功能信号获取

在21个月随访期内，受试者#1的唇部感觉运动皮层激活模式保持高度一致： - 功能像素空间分布与术前fMRI热点重叠率达82%（图2d） - 正交平面验证显示激活区位于中央前回（运动）与中央后回（感觉）交界处（图2h） - PEEK-脑组织界面声学接触质量随时间改善（t0+21个月血管细节提升12%）

2. 任务特异性神经表征

通过系列对照实验证实了fUSI的空间选择性： - 唇部刺激vs前额刺激：激活体积差异达7.3倍（p<0.001） - 真实运动vs想象运动：信号幅度降低38%但空间模式相似（r=0.79） - 连续刷唇实验显示仅唇部接触时血流信号显著升高（ΔHbO2=15.2±2.7%）

3. 行走状态下的稳定成像

移动实验取得突破性成果： - 行走时功能激活图谱与静息状态一致性指数达0.91 - 视觉与听觉提示任务的功能像素重复出现率达83%（6次重复实验） - 运动伪影校正后信号噪声比（SNR）维持在8.7±1.2 dB

研究结论与价值

本研究首次证实了通过临床标准PEEK颅骨植入物实施移动式fUSI脑功能成像的可行性，具有多重价值：

科学价值： 1. 突破了自然行为状态下高分辨率脑功能监测的技术瓶颈 2. 建立了长期植入物-超声成像兼容性评估标准 3. 为神经血管耦合机制研究提供了新工具

临床应用前景： 1. 神经康复监测：实时评估运动功能重组过程 2. 重症监护：替代fMRI监测昏迷患者脑功能 3. 术后随访：通过声窗监测肿瘤复发（数据S9显示可检测≥2 mm病变）

研究亮点

1. 技术创新性：

   • 全球首例行走状态下的fUSI脑功能成像
   • 个性化头盔系统实现亚毫米级长期重复定位
   • 开发PEEK-specific超声重建算法

2. 方法学突破：

   • 首次建立人类fUSI特异性HRF模型
   • 多模态配准误差<0.5 mm（CT/fMRI/fUSI）

3. 临床转化优势：

   • 利用现有临床植入物（无需特殊改造）
   • 单次测量成本仅为fMRI的1/20
   • 系统重量<15 kg（传统fMRI>10吨）

补充发现

1. 发现想象运动任务引发与实际运动相似的皮层激活模式（图5h），为运动意图解码提供新证据
2. PEEK植入物声学性能随时间保持稳定（21个月衰减系数变化%）
3. 光学追踪辅助的面部运动分析算法（MediaPipe）实现0.4 mm精度

该研究为RABUT等人在*Science Translational Medicine*发表的同类工作提供了重要补充，通过更长的观察周期（21个月 vs 3个月）和更复杂的行为范式（行走 vs 静态任务），确立了fUSI在生态效度研究中的独特价值。未来方向包括开发实时3D成像探头和基于fUSI的脑机接口系统。