经颅聚焦超声——无创、无感、毫米级深度聚焦的新型神经调控技术

现有的非侵入式神经调控技术，虽然规避了手术风险，但存在两个明显短板：一是空间精准度不够，二是很难刺激到大脑深部区域。而需要开颅的深部脑刺激虽然能作用到深层，但手术风险高、操作复杂。

科学家开发出了一种新型无创神经调控技术——经颅聚焦超声刺激（tFUS）。tFUS利用超声波安全穿透颅骨，以毫米级精度精准调控大脑深部；既避免了传统非侵入式刺激的深度限制，又无需开颅手术，为神经系统疾病的治疗提供了更安全、更精准的全新选择。

超声技术早已广泛应用于军事、航天航空以及精准医疗领域，最大的特点就是高精准性和能量可控性。超声波抵达脑内利用机械效应短暂地打开神经元上的机械敏感离子通道，从而影响神经电生理活动，产生神经调控的效果；tFUS还可能通过热效应或空化效应（液体微泡爆破效应）影响脑内的一系列复杂神经生化过程。这是一条区别于过去电/磁刺激直接影响脑内电活动的神经调控途径，这意味着tFUS具备电/磁兼容的天然优势，为闭环神经调控、多模态调控（声-磁联用、声-电联用）、以及tFUS-核磁显影创造了前提条件。

图1 聚焦超声的神经调控机理

目前国际上tFUS被应用于前沿疾病治疗以及精准脑调控。tFUS弥补了过去非侵入神经调控手段无法直接针对深层病灶进行刺激的短板，正逐渐成为帕金森、阿尔兹海默症、癫痫的前沿治疗手段之一。同时tFUS也被应用于传统神经调控技术覆盖的疾病，包括抑郁症、精神分裂症等，用以探索更低感、更精准的替代治疗方法。

除此之外，一些脑科学家利用tFUS“深部毫米级聚焦”的特点正在开展一系列深部小核团功能作用的研究，包括海马、丘脑、杏仁核、基底节等。这些核团距离头皮表面可达5至8cm，常规的非侵入式技术很难精准刺激到。

可以说，tFUS为进一步在体研究大脑功能提供了了一种全新的、十分具有前景的脑科学研究手段；并且将为各类与深部核团相关疾病的治疗创造新疗法的土壤。

图2 聚焦超声原理示意图

作为一项全新的技术，其安全性受到极大的关注。tFUS的潜在安全风险主要来自于超声波的热效应与空化效应。目前应用于神经调控领域的tFUS往往采用较低强度，通常而言，其热效应与空化效应所产生的不良反应很微弱，几乎可以忽略不计。国际上有一项研究对这类低强度的tFUS临床应用的不良反应率进行统计，结果发现tFUS的不良反应报告率远低于经颅磁和经颅电刺激，仅3.4%的使用者报告了轻度的不适。当然，未来需要进一步探究tFUS的使用边界，形成安全使用规范指南。

tFUS的精准性和有效性十分依赖超声探头的设计以及对于超声波激发的精确控制。目前国际主流的tFUS探头设计叫做相控阵聚焦技术。这项技术最早应用于军事领域，能够利用几十甚至上百个小型超声换能器组成的超声阵列进行数字化精准调制，实现超声波“指哪打哪”——不仅可以控制超声聚焦位置的深浅，还可以让超声聚焦部位进行偏转。

图3 相控阵3D调焦仿真效果示意图

利用相控阵聚集技术，还可以实现多靶点动态调焦。

图4 多靶点调焦

这项技术极大的拓展了tFUS的灵活性和精准性。目前依瑞德生产的第一代tFUS设备具备128阵元的相控阵聚焦能力，在tFUS神经调控设备领域处于国内一流水平。

图5 依瑞德螺旋阵相控偏转演示效果

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