Nature：超声技术重大突破，徐升团队开发新型超声贴片，实现3D脑血流成像以及连续脑血流监测

脑血流的准确监测对于神经重症监护和基础神经血管研究至关重要。然而，现有的经颅多普勒超声技术由于其一维或二维的成像能力以及刚性的探头设计，限制了其在复杂三维血管网络中的测量精度和长期监测的可能性。因此，开发一种能够解决这些问题的新技术成为了科学家们的迫切需求。

2024年5月22日，加州大学圣地亚哥分校徐升团队在Nature期刊发表了题为：Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch 的研究论文。

这项研究展示了一种新型超声贴片的经颅三维成像以及在连续监测脑血流方面的巨大潜力，为神经血管疾病的早期诊断和长期监测提供了新方法。这不仅代表了超声技术的重大突破，也为未来的医疗研究和临床应用指明了方向。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07381-5