加州大学团队开发新型超声贴片，实现3D脑血流动力学监测，为脑科学研究提供有效平台

来源：DeepTech深科技

近日，美国加州大学圣地亚哥分校徐升副教授和团队，开发一种可穿戴式超声贴片，用于免手持的经颅大脑血管成像和持续稳定地监测脑血流。

在该设备中，该课题组采用 2 兆赫兹的低频超声波，以减少颅骨引起的信号衰减和相位畸变；加入铜网屏蔽层并采用超快超声技术，极大提升信噪比的同时，还能精确实现 3D 脑血管成像。

从科学角度来看，这款可穿戴式超声贴片为临床和基础血流动力学研究，提供了一个强大的平台。

其中最重要的方面体现在，可以为血管疾病患者提供手术中及手术后的真实血流监测。

首先，在手术中对脑血流进行成像，不仅便于实时监测一些突发情况，还能够帮助临床医生确认手术是否成功。

例如，对于蛛网膜下腔出血的病人来说，他们大脑中某个血管的血流速度会存在一些特殊形态。

但如今在进行手术时，并没有一个可以很好地实时监测脑血流的设备，临床医生只能通过经验判断手术是否成功。

因此，如果在手术中使用该成果，就能方便地为临床医生提供有效指导。

其次，在手术后的紧急窗口期，能为病人提供全天候的脑血管监控。

在美国，接受过脑血管手术的病人，通常需要度过一个紧急窗口期，才能确保脑血管恢复良好，不会出现并发症。

在该阶段，目前主要由超声医师每天在特定时间内，使用经颅多普勒技术进行扫查，再将结果假定为病人一天之内血管的具体情况。

由于这种方法无法提供全天候监控，所以不能避免类似于早上接受过扫查的病人，晚上突然有血栓流入大脑，进而导致脑梗的情况发生。而采用该成果，有助于病人更好地度过手术窗口期。

图丨脑血流测量的验证（来源：Nature）

开发可穿戴式超声贴片，能用于 3D 脑血管成像和精准持续地监测脑血流

脑血流，即血液在大脑中的流动。它能够为大脑供应氧气和能量底物、清除二氧化碳等代谢废物，从而维持正常的大脑功能。

所以，在临床中对脑部疾病进行筛查与诊断，少不了要持续监测脑血流动力学。

然而，由于脑血管深埋于大脑内部并受到颅骨的保护，因此要评估脑血流具有较大难度。

截至目前，相关领域的科研人员，已经开发了多种用于测量脑血流的方法，包括电子计算机断层扫描、核磁共振成像等。

虽然它们都能提供足够的空间分辨率，但这些设备价格昂贵、体积较大、操作复杂，需要完善的医疗设施进行支持，所以导致其在实际医疗场景中的使用频率并不高。

因具备高安全性、低成本、便携性、多功能性、高时空分辨率等多种优势，经颅多普勒超声（TCD，transcranial Doppler）被广泛用于脑血流动力学监测。

不过，该方法也存在几个局限性。

其一，传统 TCD 探头是刚性的，需要临床医生手动或利用头箍型设备固定，因而会导致监测信号波动、监测质量下降，以及患者的脑部不适。

其二，这些探头只能成像复杂 3D 脑动脉网络的一部分，不同的操作者可能会从 3D 网络的不同部分获取信号，影响监测结果的可重复性和再现性。

其三，为了确定采集高质量频谱的最佳角度，临床医生需要手动倾斜探头，这既繁琐耗时，又高度依赖专业技能。

图丨用于 TCD 的可穿戴式超声贴片概述（来源：Nature）

基于此，为解决上述方法存在的不足，该团队开发了可穿戴式超声贴片。

相较于传统的 TCD 方法，该成果的优势主要体现在以下几个方面。

首先，不但可以实现大脑血管的 3D 成像，还能基于此定位到某个特定的血管并对血流进行监测，从而提供完善的 3D 大脑血管信息。相比之下，TCD 方法仅能提供 1D 或 2D 的图像信息，容易造成较高的监测误差率。

其次，监测到的脑血流速度准确率较高。

在临床实验中，研究人员分别采用该成果和 TCD 探头，在超过三十名参与者身上进行了对比验证。

结果显示峰值收缩速度、平均血流速度和舒张末期速度的平均差异及差异的标准偏差分别为-1.51 ± 4.34 cm/s、-0.84 ± 3.06 cm/s 和-0.50 ± 2.55 cm/s。

最后，能够亲肤地贴附在大脑的特定窗口上进行监测，既避免了患者在长期佩戴 TCD 探头时产生的不适感甚至疼痛感，又能解决超声医生手持探头做检测时，面临的手臂酸痛、人为误差等一系列问题。

推动成果实现产品转化，期待造福更多患者和医生

需要说明的是，虽然该成果目前已经能够比较稳定地实现脑血流的 3D 成像和血流流速的监测，但仍然存在一些局限性，如分辨率不高等。

所以在接下来，研究人员也计划采用其他方式提高设备的分辨率，例如尝试添加造影剂，以更加精细化地实现微血管成像。

与此同时，由于该课题组希望这项成果不仅仅停留在理论层面，而是更偏向于应用，因此他们也会进一步扩大临床实验人群，尤其是会关注那些罹患脑中风、蛛网膜下出血等特定脑部疾病的患者。

“我希望这项技术可以真正帮助到更多病人及医生。目前，我们正在推动该成果实现产品转化，期待能够获得更多关注。”周赛如是说。

参考资料：

1. Zhou, S., Gao, X., Park, G. et al. Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch. Nature 629, 810–818 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07381-5

排版：溪树