用于3D腦血管成像和腦血流動力學(xué)監(jiān)測的可穿戴超聲貼片

美國加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升副教授和團隊，開發(fā)出一種可穿戴超聲貼片，用于免手持的經(jīng)顱大腦血管成像和持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測腦血流。

在該裝置中，該課題組采用2兆赫茲的低頻超聲波，以減少顱骨引起的信號衰減和相位畸變；加入銅網(wǎng)屏蔽層并采用超快超聲技術(shù)，極大提升信噪比的同時，還能精確實現(xiàn)3D腦血管成像。

從科學(xué)角度來看，這款可穿戴超聲貼片為臨床和基礎(chǔ)血流動力學(xué)研究提供了一個強大的平臺。其中最重要的方面體現(xiàn)在，可以為血管疾病患者提供手術(shù)中及手術(shù)后的真實血流監(jiān)測。

首先，在手術(shù)中對腦血流進行成像，不僅便于實時監(jiān)測一些突發(fā)情況，還能夠幫助臨床醫(yī)生確認手術(shù)是否成功。例如，對于蛛網(wǎng)膜下腔出血的病人來說，他們大腦中某個血管的血流速度會存在一些特殊形態(tài)。但如今在進行手術(shù)時，并沒有一個可以很好地實時監(jiān)測腦血流的設(shè)備，臨床醫(yī)生只能通過經(jīng)驗判斷手術(shù)是否成功。因此，如果在手術(shù)中使用該成果，就能方便地為臨床醫(yī)生提供有效指導(dǎo)。

其次，在手術(shù)后的緊急窗口期，能為病人提供全天候的腦血管監(jiān)控。在美國，接受過腦血管手術(shù)的病人，通常需要度過一個緊急窗口期，才能確保腦血管恢復(fù)良好，不會出現(xiàn)并發(fā)癥。在該階段，目前主要由超聲醫(yī)師每天在特定時間內(nèi)，使用經(jīng)顱多普勒技術(shù)進行掃查，再將結(jié)果假定為病人一天之內(nèi)血管的具體情況。由于這種方法無法提供全天候監(jiān)控，所以不能避免類似于早上接受過掃查的病人，晚上突然有血栓流入大腦，進而導(dǎo)致腦梗的情況發(fā)生。而采用該成果，有助于病人更好地度過手術(shù)窗口期。

圖丨腦血流測量的驗證（來源：Nature）

可穿戴超聲貼片，能用于3D腦血管成像和精準持續(xù)地監(jiān)測腦血流

腦血流，即血液在大腦中的流動。它能夠為大腦供應(yīng)氧氣和能量底物、清除二氧化碳等代謝廢物，從而維持正常的大腦功能。所以，在臨床中對腦部疾病進行篩查與診斷，少不了要持續(xù)監(jiān)測腦血流動力學(xué)。然而，由于腦血管深埋于大腦內(nèi)部并受到顱骨的保護，因此要評估腦血流具有較大難度。

截至目前，相關(guān)領(lǐng)域的科研人員，已經(jīng)開發(fā)了多種用于測量腦血流的方法，包括電子計算機斷層掃描、核磁共振成像等。雖然它們都能提供足夠的空間分辨率，但這些設(shè)備價格昂貴、體積較大、操作復(fù)雜，需要完善的醫(yī)療設(shè)施進行支持，所以導(dǎo)致其在實際醫(yī)療場景中的使用頻率并不高。

因具備高安全性、低成本、便攜性、多功能性、高時空分辨率等多種優(yōu)勢，經(jīng)顱多普勒超聲（TCD，transcranial Doppler）被廣泛用于腦血流動力學(xué)監(jiān)測。

不過，該方法也存在幾個局限性。其一，傳統(tǒng)TCD探頭是剛性的，需要臨床醫(yī)生手動或利用頭箍型設(shè)備固定，因而會導(dǎo)致監(jiān)測信號波動、監(jiān)測質(zhì)量下降，以及患者的腦部不適。其二，這些探頭只能成像復(fù)雜3D腦動脈網(wǎng)絡(luò)的一部分，不同的操作者可能會從3D網(wǎng)絡(luò)的不同部分獲取信號，影響監(jiān)測結(jié)果的可重復(fù)性和再現(xiàn)性。其三，為了確定采集高質(zhì)量頻譜的最佳角度，臨床醫(yī)生需要手動傾斜探頭，這既繁瑣耗時，又高度依賴專業(yè)技能。

圖丨用于TCD的可穿戴超聲貼片概述（來源：Nature）

基于此，為解決上述方法存在的不足，該團隊開發(fā)了可穿戴超聲貼片。相較于傳統(tǒng)的TCD方法，該成果的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，不但可以實現(xiàn)大腦血管的3D成像，還能基于此定位到某個特定的血管并對血流進行監(jiān)測，從而提供完善的3D大腦血管信息。相比之下，TCD方法僅能提供1D或2D的圖像信息，容易造成較高的監(jiān)測誤差率。其次，監(jiān)測到的腦血流速度準確率較高。

在臨床實驗中，研究人員分別采用該成果和TCD探頭，在超過三十名參與者身上進行了對比驗證。結(jié)果顯示峰值收縮速度、平均血流速度和舒張末期速度的平均差異及差異的標準偏差分別為-1.51 ± 4.34 cm/s、-0.84 ± 3.06 cm/s和-0.50 ± 2.55 cm/s。

最后，該研究開發(fā)的可穿戴超聲貼片能夠親膚地貼附在大腦的特定窗口上進行監(jiān)測，既避免了患者在長期佩戴TCD探頭時產(chǎn)生的不適感甚至疼痛感，又能解決超聲醫(yī)生手持探頭做檢測時，面臨的手臂酸痛、人為誤差等一系列問題。

推動成果實現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，期待造福更多患者和醫(yī)生

據(jù)周賽介紹，該研究始于2020年初。

他們先是驗證了該項目的可行性，包括完善有關(guān)超聲貼片的前置研發(fā)工作、探究它的應(yīng)用場景。

“在此過程中，我們想到通過一個可穿戴的超聲裝置，來實現(xiàn)經(jīng)顱的多普勒成像。”他說。

接著，他們設(shè)計了一款可穿戴超聲貼片，并對它能否完成腦血流成像做了進一步測試。

但在當(dāng)時，他們的裝置并不能實現(xiàn)這一目標。直到對其進行一系列軟硬件迭代之后，裝置才能在不穩(wěn)定的狀態(tài)下檢測到一些信號。

而后，他們又花費了一年多的時間進行探索，發(fā)現(xiàn)如果使用超快超聲技術(shù)，不僅能夠極大地提高信號的信噪比，還可以在不同的樣本中持續(xù)穩(wěn)定地實現(xiàn)大量血流成像。

基于此，他們將測得的結(jié)果進一步優(yōu)化和完善，然后才撰寫論文并投遞至Nature。

“這篇論文審稿的過程非常漫長，大概經(jīng)歷了14個月時間。有些審稿人是醫(yī)生，他們認為我們設(shè)計的設(shè)備非常新穎和有用，但也提出了一些建議?！敝苜惐硎?。

因為當(dāng)時他們主要使用該裝置做了一些基于年輕人的臨床實驗，并沒有覆蓋一些年老的、可能會有血管疾病的病人，所以審稿人就希望課題組能夠擴大樣本量。

針對審稿人的意見，該團隊將臨床實驗的樣本量擴大到36名參與者。

在實驗開展的過程中，他們首先需要得到美國倫理審查委員會的實驗批準，接著又在網(wǎng)站上發(fā)布了這項實驗的相關(guān)信息，以招募更多志愿者。在獲得參與者的同意之后，才正式啟動實驗。

“我們隨機使用傳統(tǒng)TCD和可穿戴超聲貼片，在參與者身上先后進行關(guān)于血流成像和血流流速的監(jiān)測。等到獲取全部監(jiān)測結(jié)果之后，再進行相應(yīng)的統(tǒng)計學(xué)分析，最終將分析結(jié)果寫進論文中?！敝苜惐硎?。

事實上，為更好地掌握不同活動場景對于特定腦動脈的血流動力學(xué)的調(diào)節(jié)情況，研究人員要求參與者完成手握力測試、瓦氏試驗、單詞生成和視覺刺激這四種不同的活動，每個活動重復(fù)15次，以盡可能地減少混雜因素的干擾。

前兩種活動是物理層面的刺激，希望通過不同的呼吸方式觀察到，腦血流如果想激發(fā)這些行為會如何變化。

后兩種活動更偏向于對大腦功能的診斷，是想看大腦在接受不同信號刺激的條件下，是否存在血流變化。

據(jù)周賽介紹，直到上述臨床實驗全部完成以后，這篇論文才被真正地接收。

最終，相關(guān)論文以“Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch”為題在Nature上發(fā)表。加州大學(xué)圣地亞哥分校博士生周賽、博士后研究員郜曉翔、博士生樸健浩（Geonho Park）和博士生楊心怡是共同一作，徐升擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

需要說明的是，雖然該成果目前已經(jīng)能夠比較穩(wěn)定地實現(xiàn)腦血流的3D成像和血流流速的監(jiān)測，但仍然存在一些局限性，如分辨率不高等。

所以在接下來，研究人員也計劃采用其他方式提高設(shè)備的分辨率，例如嘗試添加造影劑，以更加精細化地實現(xiàn)微血管成像。

與此同時，由于該課題組希望這項成果不僅僅停留在理論層面，而是更偏向于應(yīng)用，因此他們也會進一步擴大臨床實驗人群，尤其是會關(guān)注那些罹患腦中風(fēng)、蛛網(wǎng)膜下出血等特定腦部疾病的患者。

“我希望這項技術(shù)可以真正幫助到更多病人及醫(yī)生。目前，我們正在推動該成果實現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，期待能夠獲得更多關(guān)注?！敝苜惾缡钦f。