给患者头颅里植入一块「塑料」，将这里作为患者大脑的「窗口」，然后通过超声就能直接看大脑内部？
听起来有点不可思议，但这是 27 岁的患者塔克（Tucker Marr）真实接受的手术。偶然一次从楼梯上摔下来后，塔克头骨骨折、硬膜出血，为了减轻他大脑的压力，医生不得不切除他左侧的一大块头骨，从此，塔克的左侧头颅凹进去一块，他出门都戴着头盔。
受伤后的塔克 图源：莱诺克斯山医院
他辗转来到了莱诺克斯山医院，这是纽约第一家提供神经整形和重建手术的医院。在主治医生的建议下，塔克完成了「头骨重建手术」，外观上恢复如初。
不过，他植入的是一块「3D 打印的透明假体」。[1]
为大脑定制一个「透明窗户」
据塔克的主治医生介绍，他们通过 3D 打印技术用丙烯酸制作了一块患者的头骨，手术时长约 2 小时。丙烯酸假体的好处是可以直接用超声探测，这样患者未来如果头痛或发生癫痫，可以不用再做 CT/MRI，毕竟这两者的价格都不便宜。
医生在为塔克的头骨重建做准备
图源：莱诺克斯山医院
此前，针对大脑的检查，我们较为熟悉的有功能性磁共振成像（IMRI）、脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、功能性近红外光谱、颅内脑电图（IEEG）等，但这些检查在灵敏度、覆盖范围、侵入性以及记录能力之间存在很大的差异。[2]
非侵入性方法，如 IMRI 可检查整个大脑，但灵敏度和时空分辨率有限，对患者的要求也比较高；EEG 价格便宜，但测量大脑深部区域功能的能力有限；IEEG 具有良好的时空分辨率，但侵入性较高。迄今为止，只有严重受损且收益大于风险时才会使用侵入性手段。
常见脑检查手段的空间分辨率、覆盖范围和记录能力比较
图源：参考资料 2
因此，脑科学急需能在侵入性和性能之间取得最佳平衡的技术手段。
「功能超声成像」是一种新兴的神经成像技术，具有高灵敏度和广泛的大脑覆盖范围，无辐射、便于携带，已在多种动物模型中得到验证。然而，由于「骨屏蔽」的存在，超声成像的应用受到了限制——颅骨会衰减和畸变高频声波，大大降低信号灵敏度。
这时，「透明颅骨假体」横空出世。
（A）通过颅窗进行功能超声成像记录的示意图；
（B）使用功能超声成像记录人体功能的实验装置
图源：参考资料 2
简单来说，就是使用透明聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等材料，制造一个 3D 打印的颅骨。这样它可以既当成植入材料用，也能便于后续超声监测，因此被誉为「神经外科的机会之窗」。
根据莱诺克斯山医院官网，该手术适应症包括延伸到头骨和皮肤的脑肿瘤、头部和额叶窦手术、脑积水、颅骨切除术后缺陷/感染等 13 种。医院表示，这些进步使外科医生能够安全地进行手术，同时降低并发症的风险。
系列研究均表现良好
有关这项研究，可追溯到 2019 年。
2019 年，透明聚合物头骨「See-Shells」被设计出来，研究人员发现「See-Shells」允许光学进入大脑皮层背侧的大部分区域，进行高分辨率结构和功能成像。此外，在清醒、头部固定的情况下，可对分布在皮层数毫米范围内的神经元群进行中尺度和细胞分辨率的 Ca2+ 成像。[3]
塔克的医生团队看到了这种材料应用于头部植入的可能，对此开展了一项全面的研究。[4]
第一阶段，团队通过人体尸体模型，检查了透明聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醚醚酮（PEEK）、多孔聚乙烯和不透明 PMMA 组成的颅骨植入物的声透明度，发现超声可成功通过由透明 PMMA、PEEK 和不透明 PMMA 组成的植入物。
之后，团队通过术中和术后经颅超声成像，对一位去骨瓣减压术后接受颅骨重建的患者植入了透明 PMMA，他们发现：术中经颅超声成像可识别包括脑室、脉络丛在内的神经解剖结构，术后经颅超声成像提供了更清晰的图像，显示了深部脑实质、带透明隔的脑室、颞叶和高回声颞窝颅骨。
总之，透明 PMMA 植入物表现良好。
与此同时，意大利的研究人员同样设计了一个完整的探究方案：他们将装置植入一名 44 岁多次复发性的少突胶质细胞瘤患者体内，并在术后 3、6、9 和 30 个月时检查，证明假体可通过普通器械进行建模和植入，安全性和可行性均无问题，经假体超声成像是可行的，且图像质量与术中超声相当。[5-6]
患者的假体植入情况
图源：参考资料 6
对于植入物的感染率和翻修率，另一篇研究对 37 名声透明颅骨钻孔外盖患者、57 名对照组患者（常规颅手术）进行了比较，发现二组的感染率无明显统计学差异。声透明颅骨钻孔外盖组共有 5 次翻修，对照组为 8 次，研究者表示「未出现认为与钻孔外盖或硬件有关的颅骨伤口翻修」。[7]
也就是说，无论是可行性、安全性、灵敏度……听上去，透明颅骨成形术具有不错的前景。
塔克手术前后 图源：莱诺克斯山医院
部分医生质疑
但是，也有一些医生对此提出了质疑。
乔治敦大学脑肿瘤项目主任约瑟夫（Joseph Watson）曾向媒体表示，这种技术「没那么重要」。他认为开的这个「小窗口」不能像 MRI 那样看到整个大脑，对此塔克的主治医生表示，「只要窗口位于肿瘤上方，就能清楚地显示出来。」
安德森癌症中心神经外科教授伊安（Ian McCutcheon）也对准确性产生过质疑，他表示，这个想法的确有趣，但其准确性还需要经过严格的临床试验，目前还远远不够。
而从伦理角度来说，此类研究需要患者头部有修复需求，且对患者来说明显「利大于弊」才能进行手术，对于研究人员来说，找到符合条件的患者很困难——患者所获得的仅仅是「方便做检查」，很多人无法接受，不愿参与实验。
例如，头骨缺失了 2 年半、39 岁的哈格尔就曾被邀请参与实验，他的家人强烈反对：「我们担心他会死在车里。」哈格尔的母亲说。
哈格尔穷困潦倒，没有自己的房子，一直住在卡车里，他也没有钱做头部修复。后来，这位邀请他实验的神经外科医生通过基金会的资助，给哈格尔和家人提供了免费住宿，哈格尔就接受了这位医生的植入实验。哈格尔表示，「医生需要我做什么，我都会尽力帮忙。」[8]也因此，从实验伦理的角度上，该新材料曾多次为人诟病。
目前，声透明颅骨成形术和经颅成形术超声检查在「更大规模的临床试验、以及在其他颅脑疾病患者中」继续开展。研究人员表示，他们认为目前的图像结果很可靠，「令人鼓舞」，认为这些数据可以刺激该技术的进一步研究，并表示：这项技术可能会使全球范围内的 CT 和 MRI 数量减少。[9]
致谢：本文经 广州医科大学附属脑科医院神经外科 副主任医师 王金伟 专业审核
【注】
广州医科大学附属脑科医院 神经外科 副主任医师 王金伟 审核意见：
[1]https://lenoxhill.northwell.edu/neurosurgery/patient-testimonials/regaining-confidence-with-life-changing-recontructive-surgery
[2]Rabut C, Norman SL, Griggs WS, Russin JJ, Jann K, Christopoulos V, Liu C, Andersen RA, Shapiro MG. A window to the brain: ultrasound imaging of human neural activity through a permanent acoustic window. bioRxiv [Preprint]. 2023 Jun 15:2023.06.14.544094.
[3]Ghanbari, L., Carter, R.E., Rynes, M.L. et al. Cortex-wide neural interfacing via transparent polymer skulls. Nat Commun 10, 1500 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09488-0
[4]Belzberg M, Shalom NB, Yuhanna E, Manbachi A, Tekes A, Huang J, Brem H, Gordon CR. Sonolucent Cranial Implants: Cadaveric Study and Clinical Findings Supporting Diagnostic and Therapeutic Transcranioplasty Ultrasound. J Craniofac Surg. 2019 Jul;30(5):1456-1461.
[5]Cranial sonolucent prosthesis: a window of opportunity for neuro-oncology (and neuro-surgery)
[6]Del Bene M, Raspagliesi L, Carone G, Gaviani P, Silvani A, Solbiati L, Prada F, DiMeco F. Cranial sonolucent prosthesis: a window of opportunity for neuro-oncology (and neuro-surgery). J Neurooncol. 2022 Feb;156(3):529-540.
[7]Lee RP, Meggyesy M, Ahn J, Ritter C, Suk I, Machnitz AJ, Huang J, Gordon C, Brem H, Luciano M. First Experience With Postoperative Transcranial Ultrasound Through Sonolucent Burr Hole Covers in Adult Hydrocephalus Patients. Neurosurgery. 2023 Feb 1;92(2):382-390.
[8]Na S, Russin JJ, Lin L, et al. Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain. Nat Biomed Eng. 2022;6(5):584-592. doi:10.1038/s41551-021-00735-8
[9]Rossitto CP, Devarajan A, Zhang JY, Benowitz R, Price G, Ali M, Tabani H, Hardigan T, Liang JW, Dangayach NS, Reynolds AS, Burkhardt JK, Kellner CP. Transcranioplasty Ultrasonography Through a Sonolucent Prosthesis: A Review of Feasibility, Safety, and Benefits. World Neurosurg. 2023 Jul 6:S1878-8750(23)00920-8.
[10]https://www.nytimes.com/2023/09/16/health/brain-surgery-skull-acrylic-window.html#commentsContainer
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