移动式功能性超声成像技术实现人类大脑活动实时监测：基于声透颅骨植入物的行走状态神经影像研究

为解决传统脑功能成像技术无法在自然行为状态下实现高分辨率监测的难题，荷兰研究团队通过功能性超声成像(fUSi)技术结合3D打印头盔和聚醚醚酮(PEEK)颅骨植入物，首次实现了行走状态下人类大脑活动的实时监测。该研究通过光学追踪、跨模态验证和高级信号处理，证实了fUSi信号在20个月内的稳定性，为临床神经科学提供了突破性的移动神经影像工具。

　　

在探索人类大脑奥秘的征程中，科学家们长期面临一个根本性矛盾：如何在受试者进行自然行为（如行走、社交或空间导航）时，获取高质量的脑功能影像数据？传统神经影像技术各自存在致命局限——功能磁共振成像(fMRI)需要受试者静止躺卧，脑电图(EEG)空间分辨率不足，而近红外光谱(fNIRS)难以探测深部脑区。这种技术瓶颈严重阻碍了我们对真实场景下大脑工作机制的理解，特别是在神经康复、脑机接口等需要动态监测的领域。

荷兰伊拉斯姆斯医学中心的研究团队在《科学·进展》发表的突破性研究中，将功能性超声成像(fUSi)技术与临床级聚醚醚酮(PEEK)颅骨植入物相结合，首次实现了人类行走状态下的脑功能实时成像。通过设计个性化3D打印固定头盔、开发光学追踪系统，并创新信号处理算法，研究人员在两名颅骨缺损患者中成功捕捉到传感器运动皮层的血流动力学信号，即使在剧烈运动状态下仍保持稳定。这项研究不仅验证了fUSi技术在移动神经影像中的可行性，更开创了"自然行为神经科学"研究的新范式。

研究团队采用四项关键技术：1) 基于MRI的个性化3D打印头盔系统，确保超声探头与颅骨植入物的稳定耦合；2) 北极星光学追踪系统实时监测探头位置，实现fUSi与fMRI数据的空间配准；3) 平面波超快速超声采集技术(PRF=800Hz)结合奇异值分解(SVD)降噪，提取微血管血流信号；4) 通过MediaPipe面部追踪算法量化行为任务中的唇部运动。研究对象为两名接受PEEK颅骨成形术的男性患者，其中1号受试者完成长达21个月的纵向研究。

研究结果

受试者招募
两名30余岁男性受试者分别因创伤性脑损伤和低级别星形细胞瘤接受左侧和右侧PEEK颅骨成形术。1号受试者存在语言和运动功能障碍，在7次测量中展现出稳定的信号；2号受试者因肿瘤复发仅完成2次测量。

fUSi头盔设计
基于个体MRI数据设计的聚乳酸(PLA)头盔配备光学几何标记，通过探头插槽精确定位传感器运动皮层区域。该系统实现亚毫米级重复定位精度，确保跨时间点数据可比性。

光学追踪与实验设置
北极星Vega光学相机以20Hz频率追踪探头和头盔的六自由度运动，结合CT/fMRI数据重建超声路径。移动推车系统支持100米范围内的行走实验，同步采集超声、视频和运动数据。

探头定位验证
通过血管模式匹配证实fUSi平面覆盖中央前回(运动区)和中央后回(感觉区)。PEEK引起的声学畸变通过多层射线追踪模型校正，提升与MRI的配准精度。

fMRI验证功能定位
采用4Hz帧率的功率多普勒图像(PDI)序列，通过血流动力学响应函数(HRF)卷积和皮尔逊相关系数(PCC>3σ)分析，发现fUSi激活区与既往fMRI唇部任务热点高度重合。正交平面设计进一步验证了功能信号的空间特异性。

功能信号特异性
系列对照实验揭示：唇部感觉任务激活感觉运动双皮层；前额刺激仅诱发微弱反应；想象性唇部任务产生与实际运动相似的激活模式。连续唇刷实验通过光学追踪证实血流动力学信号与刺激部位的精确对应关系。

行走状态fUSi
移动推车系统记录1分钟行走数据，显示唇舔任务在视觉/听觉提示下均诱发稳定激活。想象性任务保留60%信号强度，而想象手指敲击无激活，证实信号的行为特异性。运动校正显示平面内位移标准差仅60μm(x轴)/10μm(z轴)。

讨论与意义
这项研究突破了传统神经影像的静态禁锢，通过三大创新实现移动脑功能监测：1) 利用临床级PEEK植入物的声透特性，克服颅骨对超声的衰减；2) 模块化头盔设计解决移动成像的稳定性难题；3) 多模态融合验证技术可靠性。特别值得注意的是，在21个月随访中，即使受试者存在运动障碍，fUSi仍能持续捕获稳定的血流动力学信号，这为长期神经康复监测提供了可能。

研究发现的"想象任务激活模式"引发深层思考——fUSi检测到的血流变化是否真正区分了实际运动与心理模拟？这涉及对神经血管耦合机制的本质理解。虽然作者推测可能存在未被察觉的微小肌肉收缩，但该现象也可能反映感觉运动皮层在认知过程中的独特整合功能。

未来发展方向包括：开发实时3D fUSi系统以扩大成像视野，探索经颅超声技术减少对植入物的依赖，以及建立基于血流动力学信号的解码算法。临床转化方面，PEEK颅骨成形术可拓展用于肿瘤监测、重症脑功能评估等领域，其成本效益优势有望改变神经重症监护的实践模式。

这项研究标志着移动神经影像时代的来临，使科学家首次能在接近自然的环境下窥探"动态大脑"的工作奥秘。正如作者强调的，其意义不仅在于技术创新，更是为理解人类行为与脑功能的本质联系打开了新窗口。