Nature：脑血流图检查获突破！可穿戴超声贴片，可对大脑血流进行连续、无创的监测

我们一直密切关注医学生物领域最有价值的突破性进展，包括最近几年获得了实质性突破的基因治疗、CAR-T细胞疗法、mRNA技术的临床应用、人工智能在医学应用等。

▽ 这些研究推文收集在生物医学前沿专辑。

作为曾经的神经科医生，我对经颅多普勒（TCD，常称脑血流图）检查情有独钟。这是无创而便捷的检查，能够早期发现颈部和颅内大血管的异常改变。

当时我们由高老师做TCD检查，手法极为高超；她也是少见的能与大专家同台在全国年会授课的技师。我总是把入院的脑血管病患者尽可能安排在第一天就做了TCD检查，由此对其脑血管情况有数而能及时处理或预警、也由此睡了更多安稳觉。

有一次，一位患者轻微偏瘫入院，但CTA检查却显示对侧大脑中动脉闭塞。我们马上就在高老师那里的数据库中找到了答案：这位患者有糖尿病，近20年前就开始有对侧大脑中动脉的狭窄、逐渐但缓慢变得越来越严重；并在这个长期的进展过程中建立起了丰富的侧枝循环。

但是TCD检查的一个关键短板是：技术员的水平对检查结果影响极大，且不能持续监测。比如我有偏头痛，就一直想让高老师看看偏头痛发作时我的血管情况、始终未能如愿；再比如，微栓子学说受到广泛支持，但扑捉到不容易。

如果能有如脑电图一样持续监测的便携式检查就好了。

今天王老师给我们推荐的这篇Nature发表的文章，就是解决了这个问题：医学科学家研究出了可穿戴超声贴片，可对大脑血流进行连续、无创监测的TCD技术。

（如需原文，请加微信healsanq获取，备注20240522Nature）

在现代医学中，脑部疾病的早期诊断和连续监测对于改善治疗效果和预后至关重要。脑血流作为反映脑部健康状况的关键指标，其准确监测对于筛查、诊断以及理解脑功能障碍具有极其重要的意义。

然而，现有的脑血流监测技术如正电子发射断层扫描（PET）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等，虽然能够提供较高的空间分辨率，但这些技术通常需要昂贵且笨重的设备，限制了它们在连续使用中的可行性。

经颅多普勒（TCD）超声检查作为一种无创、低成本、便携且具有相对高时空分辨率的脑血流监测方法，已被广泛应用于临床。但是，传统的TCD探头存在一些局限性，如刚性设计、需要手动操作、对操作者技能依赖性强，以及在复杂三维血管网络的成像上存在困难。这些问题限制了TCD在长时间监测和精确评估脑血流方面的应用。

为了克服这些限制，并利用TCD的优势，开发一种新型的无创脑血流监测设备，可以提供准确、连续的三维脑血流监测，将对神经重症监护和神经血管研究产生重大影响。这种设备需要能够贴合患者的头部，减少由手动操作引入的误差，同时提供足够的舒适度以支持长时间佩戴。

5月22日，加利福尼亚大学圣迭戈分校的Sheng Xu博士及其团队在Nature杂志上发表了题为“Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch”的研究论文【1】。本研究开发出一种可穿戴超声贴片，可对大脑血流进行连续、无创的监测，以期改善脑部疾病的诊断和治疗，并为未来的脑血流研究提供新的工具。这种柔软而有弹性的贴片可以舒适地戴在太阳穴上，提供脑血流的三维数据，这在可穿戴技术领域尚属首次。通过这种创新的设备，研究人员和医生将能够更深入地了解脑血流动态，监测治疗效果，并为患者提供个性化的治疗方案。

研究者设计了一种2MHz超声波的贴合式超声贴片，通过减少由颅骨引起的衰减和相位偏差，实现了对三维血管网络的准确成像。该贴片包含一个16×16的矩阵阵列，通过发散波和聚焦波进行快速超声成像，准确呈现Willis环的三维结构，并最小化了检查中的人为错误。此外，研究者还使用ELISA、流式细胞术(FACS)、组织热效应测试等方法来评估设备的性能和安全性。

🔷  设备性能：

研究者成功设计并制造了一种能够准确和连续监测三维脑血流的共形超声贴片，该贴片大约一枚邮票大小，由硅树脂弹性体制成，内嵌多层弹力电子元件。其中一层由小型压电传感器阵列组成（间距为750μm、中心频率2 MHz 的16×16矩阵阵列）。另一个关键部件是由弹簧状电线组成的铜网层，铜网屏蔽层可与皮肤共形接触，能最大限度地减少佩戴者身体和环境的干扰，从而提高信号质量（将信噪比提高 5 分贝）。其余各层由可拉伸电极组成。具有优异的声学性能和机电耦合系数。通过模拟和实验，验证了其在发散波和聚焦波模式下的超声场分布，以及在不同操作条件下的安全性。

图1. 用于TCD的共形超声贴片

🔷  超快超声成像技术：

为了实现三维监测，研究人员在系统中集成了超快超声成像技术。利用贴合式超声贴片，研究者能够实现对脑部血管网络的三维体积成像，并通过功率多普勒成像技术清晰地呈现了脑部主要动脉的血流情况。

图2. 容积式超快功率多普勒成像

🔷  血流测量验证：

与传统TCD探头相比，在36名健康参与者的贴片测试中，贴合式超声贴片在测量脑血流速度（收缩期峰值、平均流速和舒张末期速度）方面显示出良好的一致性和相关性。平均差异和标准差分别为-1.51±4.34 cm/s（收缩峰速度）、-0.84±3.06 cm/s（平均流速）和-0.50±2.55 cm/s（舒张末期速度）。此外，参与者还进行了影响血流活动的动态监测，如握手、憋气和阅读，两种方式测量结果仍具有高度的一致性。

图3. 脑血流测量的验证

图4. 不同情况下的脑血流动力学监测

🔷  长期监测：在长达4小时的连续监测中，贴合式超声贴片显示出良好的稳定性和可靠性，即使在参与者出现轻微头部运动时也能保持信号质量。

🔷  安全性：在实验过程中，没有观察到由于超声暴露引起的皮肤温度升高或其他不良反应，所有使用的超声强度均低于FDA推荐的最大值。

🔷  用户舒适度：与传统TCD探头相比，贴合式超声贴片由于其柔软和贴合的设计，在长时间佩戴中减少了不适感和皮肤刺激。

期待更多类似高质量研究，给患者带来更优的临床诊疗策略。