2024.09.24.巴黎高等物理化工学院Mickael Tanter研究团队发表文章 “PhysiofUS : a tissue-motion based method for heart and breathing rate assessment in neurofunctional ultrasound imaging”，介绍了一种基于组织运动的神经功能超声成像方法(PhysiofUS)，用于同时监测心脏和呼吸频率。
神经元活动与呼吸频率和心率高度同步，心率变异性与自主神经系统功能相关，呼吸模式反映了大脑活动的变化。 监测这些生理参数对于深入了解神经元过程与心脏和呼吸节律之间的功能连接至关重要。
传统的监测方法包括智能可穿戴纺织品、可拉伸电子设备和无电池植入物等，但在神经功能成像中整合无线多参数传感器仍具有挑战性。 植入电极是评估呼吸和心率的参考设备，但存在兼容性有限、增加实验复杂性和成本等问题。
超声成像具有帧速率高和对血流敏感的特点，能够在全脑尺度上测量神经元活动。 功能性超声(fUS)成像可用于小鼠和大鼠的成像，结合静脉微泡注射，可以揭示血管网络和神经血管反应。
本研究开发一种基于超声成像的方法，能够在神经功能成像中同时监测生理参数，包括心脏和呼吸频率，减少对额外设备的需求，提高实验的效率和准确性。
在fUS中检测到，呼吸和心跳会在啮齿动物大脑中产生周期性组织运动
fUS和参考电极同步评估麻醉小鼠和大鼠的呼吸和心率
超快超声成像系统实时评估心率和呼吸频率的实现示意图
超声成像参数
成像系统：使用Iconeus One超声扫描仪和线性换能器进行成像。 成像序列：发射11个倾斜角度从-10°到+10°的平面波，脉冲重复频率为5.5kHz。 数据处理：对原始IQ数据进行处理，包括计算组织多普勒、应用奇异值分解(SVD)进行杂波滤波、计算功率多普勒图像等。通过分析组织运动的时空特征，使用SVD分离心脏和呼吸运动引起的信号，自动选择感兴趣区域(ROI)来计算心脏和呼吸频率。
与电极测量对比：将fUS测量的心率和呼吸频率与植入电极测量的结果进行对比，评估方法的准确性。
在不同实验条件下的验证：在麻醉动物和自由活动动物中验证方法的稳定性和准确性。在大鼠睡眠实验和新生儿实验中应用该方法，评估其在不同生理状态下的性能。
新生儿大脑活动的同步功能超声成像和生理参数提取
组织运动与生理频率的关系
在超声成像中，通过分析组织运动的时空特征，发现呼吸运动导致大脑的大规模运动，心跳则引起大血管附近的局部周期性运动。
应用SVD可以有效地分离心脏和呼吸运动引起的组织运动信号，从而选择特定的ROI来计算心脏和呼吸频率。
组织运动与生理频率的关系
准确性：在麻醉动物中，fUS测量的心率和呼吸频率与电极测量的结果相比，平均绝对误差小于2%。
实时性：对计算时间进行评估，发现初始化时间和信号处理时间可以满足实时监测的要求。 在不同动物中的应用：在大鼠睡眠实验中，成功测量了心脏和呼吸频率的变化，包括睡眠起始时心率的下降和REM睡眠时呼吸频率的增加。在自由活动的大鼠中，能够实时测量心脏频率，成功率为60%-69%。在新生儿实验中，fUS测量的心率与ECG测量的结果具有高度相关性，平均绝对误差为1.0%。
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