利用双模式凹面低频阵列传感器，通过经颅微气泡增强超声成像技术实现超声诱导的大脑刺激超快多普勒成像

《Ultrasonics》：Transcranial microbubble-enhanced ultrafast Doppler imaging of ultrasound-induced brain stimulation using a dual-mode concave low-frequency array transducer

　　摘要
超快多普勒成像技术能够以高时空分辨率检测缓慢和微血管血流，从而实时可视化大脑灌注动态。当与高频换能器和奇异值分解（SVD）杂波滤波结合使用时，它可以详细绘制大脑微血管图谱，并有助于研究与神经系统疾病相关的神经功能和血流动力学变化。超声波也越来越应用于治疗领域，包括热消融和血脑屏障（BBB）打开，这突显了其作为统一治疗诊断模式的潜力。然而，高频超声波的经颅成像仍受到颅骨引起的衰减严重限制。本研究的目的是评估使用0.5 MHz双模凹面换能器在无需开颅的情况下进行聚焦超声（FUS）刺激和大脑灌注成像的可行性。微泡（MB）增强型超快多普勒技术进一步通过时间强度曲线（TIC）分析实现了定量灌注分析，揭示了超声处理前后的不同灌注动态。比较了假手术、低剂量和高剂量FUS处理后的灌注反应。组织学和脑血容量（CBV）成像证实，高剂量超声处理组成功破坏了血脑屏障。处理过的半脑中观察到明显的CBV降低，表明在严重的血脑屏障打开后发生了半球间血流重新分布。统计分析显示高剂量超声处理组与假手术/低剂量组之间存在显著差异（p < 0.05，n = 3）。这些发现强调了低频超快多普勒技术在评估FUS介导的血脑屏障调节引起的实时血流动力学变化方面的能力。这种结合诊断和治疗功能于一体的双功能装置为神经科学中的无创神经调节和图像引导治疗评估提供了一个有前景的平台。

引言
超快多普勒成像，也称为功能性超声（fUS），是一种先进的超声技术，它将超快采集与多普勒信号处理相结合，以实现高灵敏度的血流检测，特别是在微血管中。与传统的逐线扫描不同，超快成像采用平面波传输，实现了每秒数千帧的帧率，从而能够快速获取大量的回波数据。这种高时间分辨率有助于有效地将缓慢移动的血流信号与周围组织杂波分离，通常通过奇异值分解（SVD）等时空滤波方法实现。因此，超快多普勒成像对低速和微血管血流具有更高的灵敏度，并能够定量评估血流动力学参数，包括脑血容量（CBV）和流动动态。值得注意的是，来自超快多普勒的功率多普勒信号与CBV成正比，已被广泛用于脑血动力学的定量评估[1]、[2]。
由于其高灵敏度和时空分辨率，fUS已广泛应用于小型动物研究中，以调查全脑灌注和任务诱导或病理性的血流动力学反应[3]、[4]。然而，大多数fUS研究依赖于高频超声波来实现高空间分辨率，这对经颅成像带来了关键限制。高频超声波受到颅骨引起的严重衰减和相位畸变的影响，导致成像质量显著下降，通常需要开颅或颅骨减薄等侵入性程序[5]、[6]。相比之下，低频超声波（通常指频率约为20至600 kHz[7]）具有更好的颅骨穿透能力。在经颅超声应用中，常用200至600 kHz的频率，因为它们在颅骨中的衰减较低，提供了更好的声学传输[8]、[9]、[10]。因此，低频超声波是啮齿动物乃至人类非侵入性经颅神经血管成像的一个有希望的替代方案。为了提高血流灵敏度，对比增强型多普勒成像使用静脉注射的微泡（MB）造影剂，这些造影剂具有强烈的非线性声学响应，产生的后向散射信号比红细胞高几个数量级。这些特性使得能够准确检测到缓慢流动、增强小血管的可视化，并定量评估传统多普勒成像中常常被组织杂波掩盖的灌注动态。当与超快成像结合使用时，微泡增强型多普勒技术可以体内可视化动脉、静脉和毛细血管的流动[11]、[12]。尽管如此，由于穿透深度有限、视野受限以及颅骨引起的相位畸变，经颅应用在技术上仍然具有挑战性，通常需要额外的畸变校正策略[13]。
血脑屏障（BBB）是一种高度选择性的生理界面，通过限制毒素、病原体和循环分子从血液中通过来维持中枢神经系统（CNS）的稳态[14]。虽然这对神经保护至关重要，但这种屏障也阻碍了治疗药物的输送，从而给治疗神经系统疾病带来了重大挑战。因此，受控和短暂的BBB破坏已成为一种有前景的策略，有助于将药物精准输送到大脑，在临床前和临床研究中显示出治疗潜力，包括在癫痫[15]和胶质母细胞瘤[16]中的应用。
聚焦超声（FUS）结合微泡（MBs）已成为一种非侵入性和局部化的短暂BBB打开策略，能够实现高空间精度的药物输送。磁共振成像引导的FUS（MRgFUS）提供了亚毫米级的定位精度和血脑屏障通透性的体积评估，并已在浸润性胶质瘤患者中得到临床验证[16]。然而，MRgFUS受到系统成本高、集成复杂、使用不便以及相对较低的时间分辨率的限制，这限制了其监测快速血流动力学反应的能力。为了克服这些限制，引入了基于超声波的引导策略，结合功率多普勒成像和被动声学映射（PAM）来监测BBB打开过程中的实时血流动力学变化和空化活动。在之前的研究中，使用了一种代表性的双换能器配置，结合了一个高频成像探头（8.9 MHz）用于血管成像，以及一个低频FUS换能器（1.5 MHz）进行治疗性超声处理，从而在大鼠中实现了准确的定位和血脑屏障通透性的定量评估[17]。最近，15 MHz的功能性超声成像（fUS）已被用于表征经颅FUS神经调节（1.68或4 MHz）后小鼠的大脑血流动力学反应，显示出在超声处理后立即和短期内的高时空灵敏度[18]。与MRgFUS相比，fUS提供了实时反馈并且系统复杂性更低。
最近的一些集成超声治疗诊断平台将治疗性超声与成像结合在一个系统中，包括紧凑型双用途换能器[19]和大规模2D阵列，用于同时进行体积成像和微泡介导的治疗[20]。Batts等人[21]、[22]引入了用于经颅BBB打开、空化监测和基因输送的治疗性超声（ThUS）平台。尽管这些方法对于监测微泡活动和治疗安全性很有价值，但它们并不直接测量大脑灌注或血流动力学反应。Bae等人[23]在开颅实验中使用了对比增强型功率多普勒和超声定位显微镜，但大多数现有方法仍然依赖于单独的成像/治疗换能器或高频阵列。在单个低频换能器中结合经颅BBB打开和功能性灌注成像的可行性尚未得到探索。在这里，我们研究了0.5 MHz双模凹面相控阵换能器是否可以通过完整的大鼠颅骨同时进行FUS诱导的BBB打开和微泡增强型超快多普勒灌注成像——这是向完全集成的低频治疗超声系统迈进的一步，用于无创神经成像和靶向治疗。

近期研究采用约600 kHz的传输频率[24]，或利用306 kHz基本传输频率产生的二次谐波信号[25]，结合超分辨率成像技术，已经证明了通过完整的大鼠颅骨可视化大脑微血管的可行性。这些发现突显了低频超声波在无创脑成像方面的优势，特别是在穿透能力方面。然而，大多数现有实现主要依赖于分离低频超声处理和高频成像的双换能器配置，这增加了系统复杂性，需要精确的空间对准，并且通常需要颅骨减薄来保持图像质量。在这项研究中，我们介绍了一种双模低频（0.5 MHz）凹面相控阵超声换能器，能够在单个集成平台上执行经颅FUS诱导的BBB打开和对比增强型超快多普勒成像。所提出的系统是为大鼠的经颅应用设计和评估的。与人类颅骨（通常厚度为5-8 mm[26]）相比，大鼠颅骨明显更薄，平均厚度约为0.7 mm[27]，从而导致较低的声学衰减和相位畸变。先前的研究已经证明，在亚兆赫频率下，超声波能够有效穿透完整的大鼠颅骨，支持在啮齿动物模型中进行经颅超声处理和成像的可行性。因此，选择了0.5 MHz的传输频率作为颅骨穿透性、治疗能力和成像性能之间的折中方案。这种统一的配置消除了对多个换能器的需求，确保了治疗性超声处理和成像之间的精确空间对准，同时大幅简化了系统设计。通过不需要开颅或颅骨减薄即可评估FUS诱导的BBB打开相关的灌注动态。体内实验验证了所提出系统检测微泡增强型灌注信号和量化区域血流动力学反应的能力，使用时间强度曲线（TIC）分析和CBV成像。这使得能够定量评估FUS诱导的血管改变和半球血流重新分布。

治疗性超声系统和双模换能器
在这项研究中，使用了一种定制的64通道双模相控阵超声换能器（Imasonic，法国），中心频率为0.5 MHz，用于聚焦超声（FUS）刺激和超快多普勒成像。该换能器具有几何聚焦的凹面设计，方位角和高度方向的曲率半径均为120 mm，声学孔径为120 × 120 mm2。这种设计实现了治疗性超声处理的自然声学聚焦。

超快多普勒体外实验
为了评估经颅成像能力，图7b和f展示了带有垂直定向管和水平定向管的颅骨B模式图像，对应于图2c和d中所示的实验配置。垂直定向管表现为位于颅骨下方的圆形截面，而水平定向管则沿侧轴形成一个细长结构。在这两种情况下，颅骨下的管都表现不佳。

讨论
这项研究在超声神经治疗领域树立了一个重要的里程碑，提出了第一个能够通过完全完整的颅骨执行FUS诱导的BBB打开和对比增强型超快多普勒成像的集成0.5 MHz双模凹面相控阵平台。与需要复杂空间对准且通常需要侵入性颅骨减薄来保持图像质量的传统双换能器系统不同，我们的统一单换能器…

结论
本研究展示了一种0.5 MHz双模凹面阵列换能器，能够在单个集成平台上同时执行FUS诱导的BBB打开和对比增强型超快多普勒灌注成像。通过结合超快平面波采集和基于SVD的杂波滤波，该系统能够在低频率下灵敏地检测到MB增强的脑血流，并实现了通过完整大鼠颅骨的经颅灌注成像。体内实验确认了…

作者贡献声明
Tzu-Tsen Hsieh：撰写——原始草稿、验证、软件、研究、正式分析、数据管理。Yung-Han Lee：撰写——原始草稿、软件、正式分析、数据管理。Bao-Yu Hsieh：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。Hao-Li Liu：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明
H. L. Liu曾担任台湾NaviFUS公司的技术顾问，目前持有多项与治疗性超声相关的专利。其他作者没有利益冲突或声明。

致谢
本工作得到了国家科学技术委员会（授权号114-2221-E-182-024-MY3、111-2221-E-002-032-MY3、112-2321-B-002-021和113-2321-B-002-030）以及生物医学高级计算与成像中心（CACIB；授权号NTU-112L900703和NTU-114L900703）的支持。

作者信息
Tzu-Tsen Hsieh | Yung-Han Lee | Bao-Yu Hsieh | Hao-Li Liu
台湾国立大学电气与计算机工程学院电气工程系