用于3D脑血管成像和脑血流动力学监测的可穿戴超声贴片

美国加州大学圣地亚哥分校徐升副教授和团队，开发出一种可穿戴超声贴片，用于免手持的经颅大脑血管成像和持续稳定地监测脑血流。

在该装置中，该课题组采用2兆赫兹的低频超声波，以减少颅骨引起的信号衰减和相位畸变；加入铜网屏蔽层并采用超快超声技术，极大提升信噪比的同时，还能精确实现3D脑血管成像。

从科学角度来看，这款可穿戴超声贴片为临床和基础血流动力学研究提供了一个强大的平台。其中最重要的方面体现在，可以为血管疾病患者提供手术中及手术后的真实血流监测。

首先，在手术中对脑血流进行成像，不仅便于实时监测一些突发情况，还能够帮助临床医生确认手术是否成功。例如，对于蛛网膜下腔出血的病人来说，他们大脑中某个血管的血流速度会存在一些特殊形态。但如今在进行手术时，并没有一个可以很好地实时监测脑血流的设备，临床医生只能通过经验判断手术是否成功。因此，如果在手术中使用该成果，就能方便地为临床医生提供有效指导。

其次，在手术后的紧急窗口期，能为病人提供全天候的脑血管监控。在美国，接受过脑血管手术的病人，通常需要度过一个紧急窗口期，才能确保脑血管恢复良好，不会出现并发症。在该阶段，目前主要由超声医师每天在特定时间内，使用经颅多普勒技术进行扫查，再将结果假定为病人一天之内血管的具体情况。由于这种方法无法提供全天候监控，所以不能避免类似于早上接受过扫查的病人，晚上突然有血栓流入大脑，进而导致脑梗的情况发生。而采用该成果，有助于病人更好地度过手术窗口期。

图丨脑血流测量的验证（来源：Nature）  

可穿戴超声贴片，能用于3D脑血管成像和精准持续地监测脑血流

脑血流，即血液在大脑中的流动。它能够为大脑供应氧气和能量底物、清除二氧化碳等代谢废物，从而维持正常的大脑功能。所以，在临床中对脑部疾病进行筛查与诊断，少不了要持续监测脑血流动力学。然而，由于脑血管深埋于大脑内部并受到颅骨的保护，因此要评估脑血流具有较大难度。

截至目前，相关领域的科研人员，已经开发了多种用于测量脑血流的方法，包括电子计算机断层扫描、核磁共振成像等。虽然它们都能提供足够的空间分辨率，但这些设备价格昂贵、体积较大、操作复杂，需要完善的医疗设施进行支持，所以导致其在实际医疗场景中的使用频率并不高。

因具备高安全性、低成本、便携性、多功能性、高时空分辨率等多种优势，经颅多普勒超声（TCD，transcranial Doppler）被广泛用于脑血流动力学监测。

不过，该方法也存在几个局限性。其一，传统TCD探头是刚性的，需要临床医生手动或利用头箍型设备固定，因而会导致监测信号波动、监测质量下降，以及患者的脑部不适。其二，这些探头只能成像复杂3D脑动脉网络的一部分，不同的操作者可能会从3D网络的不同部分获取信号，影响监测结果的可重复性和再现性。其三，为了确定采集高质量频谱的最佳角度，临床医生需要手动倾斜探头，这既繁琐耗时，又高度依赖专业技能。

图丨用于TCD的可穿戴超声贴片概述（来源：Nature）

基于此，为解决上述方法存在的不足，该团队开发了可穿戴超声贴片。相较于传统的TCD方法，该成果的优势主要体现在以下几个方面。首先，不但可以实现大脑血管的3D成像，还能基于此定位到某个特定的血管并对血流进行监测，从而提供完善的3D大脑血管信息。相比之下，TCD方法仅能提供1D或2D的图像信息，容易造成较高的监测误差率。其次，监测到的脑血流速度准确率较高。

在临床实验中，研究人员分别采用该成果和TCD探头，在超过三十名参与者身上进行了对比验证。结果显示峰值收缩速度、平均血流速度和舒张末期速度的平均差异及差异的标准偏差分别为-1.51 ± 4.34 cm/s、-0.84 ± 3.06 cm/s和-0.50 ± 2.55 cm/s。

最后，该研究开发的可穿戴超声贴片能够亲肤地贴附在大脑的特定窗口上进行监测，既避免了患者在长期佩戴TCD探头时产生的不适感甚至疼痛感，又能解决超声医生手持探头做检测时，面临的手臂酸痛、人为误差等一系列问题。

推动成果实现产品转化，期待造福更多患者和医生

据周赛介绍，该研究始于2020年初。

他们先是验证了该项目的可行性，包括完善有关超声贴片的前置研发工作、探究它的应用场景。

“在此过程中，我们想到通过一个可穿戴的超声装置，来实现经颅的多普勒成像。”他说。

接着，他们设计了一款可穿戴超声贴片，并对它能否完成脑血流成像做了进一步测试。

但在当时，他们的装置并不能实现这一目标。直到对其进行一系列软硬件迭代之后，装置才能在不稳定的状态下检测到一些信号。

而后，他们又花费了一年多的时间进行探索，发现如果使用超快超声技术，不仅能够极大地提高信号的信噪比，还可以在不同的样本中持续稳定地实现大量血流成像。

基于此，他们将测得的结果进一步优化和完善，然后才撰写论文并投递至Nature。

“这篇论文审稿的过程非常漫长，大概经历了14个月时间。有些审稿人是医生，他们认为我们设计的设备非常新颖和有用，但也提出了一些建议。”周赛表示。

因为当时他们主要使用该装置做了一些基于年轻人的临床实验，并没有覆盖一些年老的、可能会有血管疾病的病人，所以审稿人就希望课题组能够扩大样本量。

针对审稿人的意见，该团队将临床实验的样本量扩大到36名参与者。

在实验开展的过程中，他们首先需要得到美国伦理审查委员会的实验批准，接着又在网站上发布了这项实验的相关信息，以招募更多志愿者。在获得参与者的同意之后，才正式启动实验。

“我们随机使用传统TCD和可穿戴超声贴片，在参与者身上先后进行关于血流成像和血流流速的监测。等到获取全部监测结果之后，再进行相应的统计学分析，最终将分析结果写进论文中。”周赛表示。

事实上，为更好地掌握不同活动场景对于特定脑动脉的血流动力学的调节情况，研究人员要求参与者完成手握力测试、瓦氏试验、单词生成和视觉刺激这四种不同的活动，每个活动重复15次，以尽可能地减少混杂因素的干扰。

前两种活动是物理层面的刺激，希望通过不同的呼吸方式观察到，脑血流如果想激发这些行为会如何变化。

后两种活动更偏向于对大脑功能的诊断，是想看大脑在接受不同信号刺激的条件下，是否存在血流变化。

据周赛介绍，直到上述临床实验全部完成以后，这篇论文才被真正地接收。

最终，相关论文以“Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch”为题在Nature上发表。加州大学圣地亚哥分校博士生周赛、博士后研究员郜晓翔、博士生朴健浩（Geonho Park）和博士生杨心怡是共同一作，徐升担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）  

需要说明的是，虽然该成果目前已经能够比较稳定地实现脑血流的3D成像和血流流速的监测，但仍然存在一些局限性，如分辨率不高等。

所以在接下来，研究人员也计划采用其他方式提高设备的分辨率，例如尝试添加造影剂，以更加精细化地实现微血管成像。

与此同时，由于该课题组希望这项成果不仅仅停留在理论层面，而是更偏向于应用，因此他们也会进一步扩大临床实验人群，尤其是会关注那些罹患脑中风、蛛网膜下出血等特定脑部疾病的患者。

“我希望这项技术可以真正帮助到更多病人及医生。目前，我们正在推动该成果实现产品转化，期待能够获得更多关注。”周赛如是说。