脑机启侦 | 全面总结经颅聚焦超声技术发展（02.07）

许多患有神经系统和精神疾病的患者，尽管接受了现代医学和外科治疗仍持续处于残疾状态。因此，迫切需要开发新型、安全、微创且可广泛推广的治疗方法。近年来，聚焦超声技术的进展正在开辟多个新的治疗前沿。近日，多伦多大学Andres M. Lozano在Neuron发表相关综述，本文论述了经颅聚焦超声作为一种潜在的人类脑部疾病治疗工具的兴起并围绕以下3种不同应用展开讨论：

1高强度聚焦超声（HIFU）用于在功能异常的脑区靶点产生治疗性毁损灶；

2低强度聚焦超声（LIFU）用于开放血脑屏障（BBB）；

3高强度聚焦超声（HIFU）用于在功能异常的脑区靶点产生治疗性毁损灶；

经颅聚焦超声（FUS）通过将机械能量精准聚焦于大脑深部，已成为一种具有变革意义的无创脑部治疗技术，具备毫米级精度且无需切口或电离辐射。然而，在近70年的时间里，人们普遍认为颅骨几乎不可穿透，限制了其在脑部的应用。这一观点源于Lynn等人早期在非人灵长类动物中的实验：虽然超声可诱导脑内损伤灶，但伴随严重的颅骨和皮肤坏死。研究发现，颅骨对超声的高吸收率（超过脑组织10倍以上）以及声速的高度可变性使其如同一个散焦透镜，严重干扰聚焦效果。因此，早期的动物乃至部分人体治疗不得不依赖开颅形成“颅窗”以实现热效应（如凝固或高温）。真正的突破出现在研究人员采用高功率、大单元的球面相控阵列并结合水听器信号校正相位畸变，成功实现了经颅聚焦消融活体组织；同时，通过优化频率（600–700 kHz）、使用半球形阵列及表面冷却等策略，有效控制了颅骨加热。随后，基于离体人颅骨测量与CT数据（包括厚度、形状和密度）建立的非侵入性像差校正方法进一步提升了聚焦精度。将该技术与磁共振成像（MRI）融合，不仅实现了精准解剖靶向和实时温度监测，还能检测亚损伤水平的温升并量化生物效应。这一系列进展推动了聚焦超声从脑肿瘤的首次可行性验证，逐步拓展至震颤及其他神经系统疾病的治疗，开启了无创神经调控与干预的新时代。

图1 经颅超声的历史、技术原理及其发展历程

FUS应用于大脑有多种方式。最初主要用于消融性神经外科手术，但随着经颅聚焦技术的发展，研究者开始探索其他超声介导的生物效应。其中一大关键挑战是血脑屏障（BBB）它虽保护中枢神经系统，却严重限制了药物递送。尽管早期已有研究提示超声可增强BBB通透性，但直到2001年，才首次通过静脉注射微泡结合超声实现可靠且可重复的局灶性BBB开放。该方法利用微泡在超声场中因高度可压缩性而产生的剧烈振荡，放大血管壁的机械运动，从而在仅需不到消融所需能量0.1%的低强度下即可安全、可逆地打开BBB。与此同时，经颅聚焦也使低强度聚焦超声（LIFU）用于神经调控成为可能。虽然早年已有超声诱导神经效应的报道，但真正推动该领域发展的是Tyler等人在体外和小鼠模型中的研究，后续多项工作证实LIFU具备高空间精度并能可靠诱发生理反应。此类神经调控效应已在非人灵长类动物和人类中得到验证，但某些在小型动物中观察到的现象（如经颅超声刺激TUS引发的运动收缩）尚未在人类中复现。造成这种差异的主要原因包括：小型动物颅腔在所用低频下易形成驻波以及超声在颅骨中传导产生的声音可传至内耳，引发惊跳反射，可能被误认为真正的神经激活。这些混杂因素不仅引发了对超声神经调控机制的深入讨论，也增加了明确其特异性物理-生物效应的复杂性。

图2 FUS的多种治疗模式

尽管迄今为止尚无法在人类中通过经颅超声刺激直接诱发运动神经元激活并引起肌肉收缩，但已有研究在健康受试者中观察到更为细微的神经调控效应，这些效应出现在足以排除热效应和空化效应的低强度条件下。为解释超声与神经组织之间的相互作用，学界提出了多种理论，其中主流观点认为，超声所产生的辐射力引起的组织微位移或对机械敏感离子通道或机械感受器的激活，可能是关键机制之一。目前关于经颅超声刺激的作用机制和潜在应用存在大量假说，对其生物学后果的认识也在不断加深，但尚未就神经调控效应的根本原理达成共识。尽管存在这种不确定性，全球范围内已启动大量研究并有越来越多的临床证据表明经颅超声刺激治疗可为多种患者带来获益。从早期的超声消融，到血脑屏障开放，再到近年来兴起的神经调控，该领域发表的论文数量和临床试验规模持续快速增长，这本身已成为聚焦超声研究活跃度的重要指标。

图3 聚焦超声在脑部的生物学效应与应用

多种聚焦超声治疗模式正在多个脑区靶点中被广泛研究。通过高强度聚焦超声对病理性脑组织进行局灶损毁或中断功能失调的神经环路可在运动障碍患者中产生显著的治疗效果，并有望拓展至其他神经系统疾病。聚焦超声在此类应用中具有独特优势，它是一种微创甚至无切口手术，无需开颅即可精准毁损深部脑结构。在操作过程中，超声能量以逐步递增的方式分次施加，使医生能够在术中实时监测病灶的位置与大小，并迅速评估疗效及潜在不良反应。例如，在帕金森病或特发性震颤患者的丘脑腹中间核形成足够大小的超声消融灶后，震颤可立即停止。这一突破得益于多项技术进步，包括采用多达一千余个换能器单元的相控阵列，可将超声束精确聚焦于单一深部脑靶点以及结合磁共振成像实现近实时温度监测与解剖定位。在磁共振引导下，聚焦超声束可在十至六十秒内向靶区传递一万至四万焦耳的能量，使局部温度升至约六十摄氏度，从而实现可控的热凝固坏死。此类技术被称为磁共振引导聚焦超声，其空间分辨率达一至二毫米，精准度由磁共振成像提供保障。

图4 磁共振引导聚焦超声在脑部损毁治疗中的应用

经颅聚焦超声在人脑中的研究具有重要科学与临床意义：它开创了无创、精准调控或损毁深部脑区的新范式，突破了传统手术和神经调控手段的局限；不仅能用于治疗运动障碍、精神疾病、神经退行性疾病和脑肿瘤，还通过靶向干预帮助揭示脑功能的因果机制；结合磁共振引导，可实现个体化、实时监控的精准治疗，加速从基础研究到临床应用的转化，成为连接神经科学与脑疾病干预的关键桥梁。

参考文献：Lipsman N, Hynynen K, Chen R, Lozano AM. Transcranial focused ultrasound in the human brain. Neuron. 2026 Jan 28:S0896-6273(25)00888-8.

doi: 10.1016/j.neuron.2025.11.015. Epub ahead of print. PMID: 41610842.

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