徐升团队发布新型超声贴片，实现3D脑血流监测突破

徐升团队发布新型超声贴片，实现3D脑血流监测突破

近日，加州大学圣地亚哥分校徐升团队在Nature期刊上发布了他们的最新研究成果——一种新型超声贴片。这款超声贴片能够实现3D脑血流成像和连续脑血流监测，解决了现有技术在一维或二维成像能力以及刚性探头设计上的局限性。这项技术不仅提升了脑血流监测的精确度，还为神经血管疾病的早期诊断和长期监测提供了新途径，标志着脑血管血流检测领域的一次重大突破。

该研究设计的超声贴片由一个16×16的超声换能器矩阵阵列组成，中心频率为2 MHz。矩阵阵列的每个元素都通过五层蛇形互连线独立连接，阵列的口径为12 mm×12 mm，能够通过颅骨聚焦于深部目标。研究人员在设备上添加了一层铜网电磁屏蔽层，平均提高了5 dB信噪比。整个设备由硅橡胶封装，使其具备电绝缘性和生物相容性，并能与各种表面紧密接触。研究团队采用发散波和聚焦波进行成像。发散波扩展了超声视场，使得多条大脑动脉能够同时被成像，而聚焦波则可以连续监测选定位置的血流频谱。

与传统的经颅多普勒超声（TCD）相比，这种新型超声贴片具有以下显著优势：

1. 三维成像能力：通过基于超快超声的发散波和多角度复合方法进行的容积超声成像，同时展现了大脑中威利斯环上的主要动脉结构，并通过数据过滤和噪声抑制增强了血管结构的显示。

2. 连续监测功能：研究团队通过手握测试、瓦氏动作、单词生成和视觉刺激等活动，验证了设备在不同生理活动中的监测能力。实验结果表明，设备能够实时记录血流速度变化，与传统TCD探头的测量趋势一致。设备还能够进行长时间监测，如记录睡眠中的颅内B波，这与脑内有害代谢产物的清除和疾病恢复密切相关。研究团队连续监测了一名参与者4小时的脑血流波谱，并成功识别出昏睡期间的颅内B波。

3. 操作简便性：这种贴片大约为邮票大小，由内嵌有多层弹性电子元件的硅弹性体制成，其中一层弹性电子元件由小型压电传感器阵列组成，当受到电刺激时会产生超声波并接收大脑反射的超声波。另一种关键组件是由弹簧状电线制成的铜网层，能最大限度地减少干扰，提高信号质量。其余各层由可拉伸电极组成。使用时，这种贴片通过电缆与电源和计算机相连，为了实现三维监测，研究人员在系统中集成了超快超声成像技术。标准超声波每秒可捕捉约30幅图像，而超快成像每秒可捕捉数千幅图像。要从这种贴片中的压电传感器收集到可靠的数据，就必须采用这种高帧率，否则会因头骨的强烈反射而导致信号强度变低。他们然后使用定制算法对这些数据进行后处理，以重建三维信息，如大脑大动脉的大小、角度和位置。

研究团队在36名参与者身上验证了该超声贴片的血流测量精度。与传统经颅多普勒探头相比，峰值收缩期速度、平均流速和舒张末期速度的平均差和标准偏差分别为−1.51±4.34 cm/s、−0.84±3.06 cm/s和−0.50±2.55 cm/s。连续监测脑血流能够筛查和诊断脑部疾病，并理解神经血管功能。传统的TCD探头由于刚性和需要手持操作，存在许多局限，而新的超声贴片则通过柔性设计和高精度成像，解决了这些问题。其舒适性和操作简便性使得长时间记录成为可能，这对临床诊断和研究具有重要意义。

这项技术的潜在应用场景包括：

• 脑血管疾病监测：可连续监测脑血流变化，有助于早期发现脑卒中等疾病。
• 神经科学研究：提供高精度的脑血流数据，助力理解大脑功能和疾病机制。
• 重症监护：在ICU环境中持续监测患者脑血流状况，及时预警病情变化。

加州大学圣地亚哥分校徐升副教授为论文通讯作者，2019级博士研究生周赛、郜晓翔博士、2021级博士研究生Geonho Park、2021级博士研究生杨心怡为论文共同第一作者。

这项突破性研究不仅展示了超声技术在脑血流监测领域的重大进展，也为未来的医疗研究和临床应用开辟了新的方向。随着进一步的研究和开发，这种新型超声贴片有望成为神经血管疾病诊断和监测的重要工具，为患者带来更精准、便捷的医疗服务。