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2021 年 Demené 等人在《自然-生物医学工程》杂志上发表关于经颅超快超声定位显微镜表征成人脑血管动力学的研究。脑血流量的变化与各类脑疾病息息相关，临床上通常使用CT或MRI进行脑血管造影，但是受限于毫米级分辨率并且对血流动力学不敏感。Demené等人使用静脉注射微泡的超快超声定位显微镜能够以显微分辨率对成人大脑中的深部脉管系统进行经颅成像，同时对血流动力学参数进行量化。使用自适应散斑追踪技术校正经颅传播过程中引起的微米级脑运动伪影和超声波畸变，能够绘制缠结动脉的血管网络图，以高达25μm的分辨率对血流动力学进行功能表征，并检测患者深部小动脉瘤中的血液涡流。超快超声定位显微镜有助于了解脑血流动力学以及脑血管异常与神经病理学之间的关系。
常规经颅多普勒超声通过颞窗(图1 a,b)监测大脑基底动脉血流的速度。这是一种易于使用、低成本、广泛应用的床旁超声检测方法。但是，其较差的空间分辨率和有限的灵敏度阻碍了超声成像成为脑血管疾病的决定性成像方式。超声定位显微镜(ULM)的引入权衡了空间分辨率和穿透深度，同时由于超声造影剂和超快成像的联合使用，提高了灵敏度。ULM成像概念来自于光学，ULM已经证明了超声在啮齿类动物微观尺度上进行无创深层微血管成像的独特能力。
在本文中，作者团队通过联合解决空间分辨率、颅骨畸变和运动伪影等经颅 ULM的主要挑战，在微观尺度上展示了人体脑血管血流动力学的经颅深度成像(25μm分辨率) 。主要成像步骤如下：
1. 使用19.2 mm大小孔径的相控阵换能器，中心频率为2MHz，保证颅骨的衰减系数尽可能低。3. 向患者注射0.2 mL的微泡造影剂。对这些高反射微泡进行检测既可用于校正经颅像差(图 1c)，也可用于随后的血管超分辨率成像。4. 使用时空滤波器只保留微泡的运动。记录的原始数据对应于二维时空散斑模式(图 1d(左))，在这些数据中，与微泡运动信号相比，组织信号具有完全不同的空间相干特征。可以使用时空滤波器只保留微泡的运动(图1d(中))。假设大脑中声速是恒定的，单个气泡的后向散射回波在特定时空表现中将呈现为双曲波前，由于通过颅骨传播而产生轻微的像差。像差通过在相控阵的每个阵元上引入时间延迟来校正(图1d(右)).6. 通过微泡跟踪算法获得微泡运动轨迹(图 1g).
在45s的采集中，可以获得具有无与伦比清晰度的血管结构二维图像。图像非常精确地显示了Willis环和大脑后动脉的一部分，这通常可以用低分辨率的常规临床超声扫描仪观察到(图1 h，绿色箭头)。但ULM可以看到大量的小直径血管，如穿过中脑的小动脉(Ø<200μm)。
通过在微观尺度上揭示人类脑血管解剖和血流动力学，经颅ULM(t-ULM)很可能在未来对脑血管疾病的管理具有重要意义。与目前的临床模式相比，其低成本、易用性、灵敏度和量化能力以及分辨率提高了近两个数量级，可以改变脑血管患者管理的工作流程。本研究的一个主要限制是缺乏对信号的实时处理，目前原始数据被保存到磁盘后进行离线处理。实时t-ULM显示(或至少部分显示)能够帮助研究轻微脑血管病变，例如非常小的动脉瘤、狭窄或小血管中的缺陷。随着超声机器计算能力的提升，实时显示有望在未来几年内实现。本研究的另一个重要限制是超声通过颞窗进入大脑的能量有限。考虑颅骨衰减系数和后向散射系数，开发在1MHz或更低的低中心频率下工作的大型超声波头盔可能具有巨大的优势。当然，中心频率更低意味着分辨率会有所损失，但分辨率在很大程度上可以通过更大的孔径来补偿，因为此时颞窗位置将不再是一个限制条件。此外，研究具有较低频率的反向散射系数峰值的造影剂可能是有意义的。文章及相关代码链接请关注公众号号后台回复ULM获取：![]()
