"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种结合高分辨率、多普勒超声成像的新型脑功能成像技术，可实时检测脑血流动力学变化，作为神经活动的间接标志。本研究首次在动态任务（如行走）中实现了fUSi对人脑活动的监测。研究团队设计了个性化3D打印头盔，用于固定超声探头，并通过光学追踪实现成像平面的高精度重复定位。结合声透性良好的PEEK颅骨修复体，克服了传统超声受颅骨限制的问题。实验中，两名佩戴PEEK修复体的受试者参与了多种脑功能任务，其中一名完成了长达21个月的多次实验，显示了鲁棒性和重复性。fUSi成功捕捉了与口唇相关的感觉与运动活动，并通过与功能磁共振成像（fMRI）结果比对，验证了信号的特异性。这一技术突破将fUSi从静态、手术场景扩展到动态、真实世界应用，为脑科学研究和临床实践开辟了新路径，特别是在脑机接口、康复监测和重症监护等领域具有广阔的应用前景。 |
Nature重磅｜超声脑机接口：功能性超声FUS用于低侵入性脑机接口解码
创新未来 | 无创脑机接口nBCI - 功能性超声fUS脑科学前沿及脑疾病治疗应用
功能性超声影像学（fUSi）是一项通过高帧率超声多普勒成像实现脑功能成像的新技术，它利用脑血管的血流动力学变化作为神经活动的间接标志。这种技术凭借其高分辨率、实时、无对比剂需求的特点，克服了传统脑成像方法的许多限制。尽管目前fUSi主要应用于手术场景，但近期的研究进一步推动了其在真实世界中的应用。
实验设置的关键组成部分，图E中展示的人物是本文作者之一
核心研究成果
本研究首次展示了fUSi在实际行走过程中对人脑活动的监测能力。研究团队设计了一款定制的3D打印头盔，用于固定超声探头，并结合光学追踪技术实现成像平面的高精度重复定位。该技术在21个月的时间内成功采集并分析了多个脑区的功能信号，尤其是口唇区域的运动与感觉任务，验证了信号的鲁棒性与可重复性。
嘴唇感觉运动信号在受试者#1中的功能定位及其随时间的可重复性 A) 感兴趣区域（ROI）围绕口部的感觉运动皮层规划，位置与此前该受试者在进行嘴唇撅起任务时功能性磁共振成像（fMRI）识别的热点区域重叠。B) 功率多普勒成像（PDI）定位的准确性通过解剖结构及其与MRI中脑回和脑沟轮廓的重叠得以确认。C) 在受试者#1中，我们能够在三个时间点（t0, t0+13个月, t0+21个月）重复定位同一PDI平面，展示了定制头盔和插件组合的可靠性。D) 在上述三个时间点（t0, t0+13个月, t0+21个月），我们还能够一致性地映射出嘴唇撅起运动任务期间的功能性脑活动，显示了fUSi信号的鲁棒性和可重复性。首幅图还展示了fUSi识别的功能区如何与类似嘴唇撅起任务中fMRI热点区域（橙色轮廓）重叠。E) 每个时间点（t0, t0+13个月, t0+21个月）对应的功能信号，如图C和D所示。G) 为进一步研究信号的鲁棒性，我们设计了一个新的正交插件，使探头相对于原始ROI旋转90度，以用于嘴唇感觉任务（如嘴唇刷拭）。G) 原始PDI平面与正交插件的PDI平面对比图。H) 原始与正交插件的功能图，其中橙色轮廓显示了与fMRI中嘴唇撅起任务热点的相对重叠（参见图A）。每个功能图中的绿色和紫色虚线可视化了原始PDI和平面与正交PDI平面之间的交叉平面。I) 与图H中功能图对应的功能信号。
研究中，采用了声透性良好的PEEK材料颅骨修复体作为超声信号的传播窗口，解决了传统超声受颅骨衰减和畸变的限制问题。实验涉及两名佩戴PEEK修复体的受试者，其中一名完成了长达21个月的多次实验。通过与功能磁共振成像（fMRI）对比，fUSi在解析运动与感觉任务相关脑区活动方面显示出高度一致性。
A) 在嘴唇感觉任务中进行了一系列任务变体。一种经典的ON（刷嘴唇）-OFF（休息）感觉任务，能够激发可重复的fUSi功能图，显示出两个明确的功能区域（ROI 1，对应中央前回；ROI 2，对应中央后回）。用于功能阈值处理的邻近噪声区域标记为黄色。阈值化的功能图仅显示噪声信号标准差3倍以上的PCC值，突出显示了两个独立的功能区域。B) 将ON状态（刷嘴唇）与OFF任务（刷前额）交替进行，生成了类似的功能图。C) 将ON状态（刷嘴唇）与OFF任务（刷右耳）交替进行，生成了类似的功能图。D) 将ON状态（刷嘴唇）与OFF任务（刷手）交替进行，生成了类似的功能图。E) 仅进行前额刷拭任务（ON），OFF时间为休息状态，导致功能激活明显减少，仅在ROI 2区域中有少量激活。F) 按照图A所示的任务模式进行的运动任务（撅嘴唇），同样显示功能活动，但其空间模式不同，更突出地定位于中央前回（ROI 1）。G) 对图A任务的想象版本，结果生成了类似于图A-D的功能图，但信号强度较弱。H) 为进一步研究信号的鲁棒性，我们进行了连续的嘴唇刷拭任务，使用光学追踪技术确定每个时间点的刷拭位置。I) 利用Google的MediaPipe库提取面部参数（如Blendshape系数），将嘴唇刷拭轨迹投影到受试者面部解剖的网格表示上。J) 将ROI中的平均血流动力学百分比变化绘制为刷拭位置的函数，结果表明，仅在刷拭嘴唇时出现显著的血流动力学信号上升。K) 当刷子位于嘴唇区域（定义为“ON块”）时，ROI中发现的功能信号。
实验设计与技术创新
个性化头盔设计：根据受试者头部MRI数据，设计定制的3D打印PLA头盔，用于固定超声探头并提供光学追踪参考点。
光学追踪与探针定位：结合光学追踪数据，实现与MRI的实时配准，确保探针的稳定性和成像平面的精确重复。
移动实验系统：开发了一套便携的超声采集设备，允许受试者在行走中完成实验任务。
功能信号验证与分析：采用高分辨率多普勒图像，通过统计方法和区域对比分析，确保信号的功能相关性和空间特异性。
行走中获取的fUSi信号 A) 实验条件概览：ON块（嘴唇舔舐、手指敲击或想象嘴唇舔舐任务）通过视觉提示（屏幕上显示的任务视频）或音频提示（实验者根据地面标记口头指示ON和OFF）引入。B) 从受试者行走过程中的视频中提取的示例镜头，用于通过Google的MediaPipe库进行面部运动后期分析。红色轨迹为从视频材料中提取的嘴唇运动跟踪示例。C) 在行走成像过程中获取的平均功率多普勒成像（PDI）示例。D) 视觉提示下嘴唇舔舐任务期间获取的fUSi功能图示例（参见图A），感兴趣区域（ROI）标记为绿色，用于功能阈值处理的邻近噪声区域标记为黄色。E) 针对图D所示任务总共执行了六次迭代。在这里总结了功能像素在ROI中的出现情况（定义为>噪声信号标准差4倍），像素的总结值越高，表明在特定任务的更多迭代中参与功能的稳定性越高。F) 针对同一功能任务（基于视觉提示的嘴唇舔舐）的六次迭代示例，显示了在行走过程中捕获的功能信号的可重复性和鲁棒性。功能信号图中的箭头方向指示测量期间行走的方向（朝向或远离起点）。G) 基于听觉提示的嘴唇舔舐任务的示例轨迹。H) 想象嘴唇舔舐任务的三次迭代中功能图和功能信号显示了类似于图E的激活，但信号幅度略低。I) 作为对照条件，想象手指敲击任务未引发任何功能信号。J) 汇总的散点图显示了嘴唇舔舐任务（绿色）和想象嘴唇舔舐任务（紫色）的功能信号，尽管后者信号幅度较低。散点图确认了想象手指敲击任务（橙色）中功能信号的缺失，进一步验证了信号的特异性。
研究意义与未来展望
研究验证了fUSi在动态任务（如行走）中的应用潜力，为实现移动式脑功能成像迈出了重要一步。这一技术突破对脑科学研究、临床诊断和康复治疗具有重要意义，例如：
在康复训练中实时监控神经可塑性。
作为脑-机接口（BCI）研究的新工具。
在重症监护中，通过超声窗口实现对功能连接性的动态监测。
未来的技术改进将集中于开发实时3D超声探头，克服当前2D成像的局限性，并通过改进数据处理算法，实现更广泛的临床应用。
参考文献
Soloukey, Sadaf, Luuk Verhoef, Frits Mastik, Michael Brown, Geert Springeling, Bas Generowicz, Djaina Satoer et al. "Mobile Human Brain Imaging using Functional Ultrasound." bioRxiv (2024).
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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