近日，荷兰鹿特丹伊拉斯谟医学中心（Erasmus MC）的研究团队在《科学进展》发表重磅研究，首次通过功能性超声成像（fUSi）技术，实现了人类在行走等自然活动中脑功能的实时动态监测。这项技术突破了传统脑成像技术对运动的限制，为理解真实场景下的大脑活动开辟了新路径。

传统方案：要么静态监测，要么精确度不高

该研究聚焦功能性超声成像（fUSi）技术在移动场景下对人脑活动的监测研究。传统脑成像技术如功能性磁共振成像（fMRI）虽主导当前领域，但设备庞大昂贵且严重限制受试者运动，脑电图（EEG）、功能性近红外光谱（fNIRS）等非侵入性可穿戴技术虽便于移动，却无法实现深层脑结构的高分辨率成像，而侵入性技术如皮层脑电图（ECoG）则需颅骨植入且植入物寿命有限。

功能性超声成像（fUSi）利用超快多普勒超声，通过神经血管耦合原理，以约200μm的空间分辨率和5cm的成像深度，实现了高分辨率、大深度、实时且无造影剂的功能脑成像，兼具便携性和成本效益，成为唯一能同时整合这些优势的技术。

实验装置的关键组件 @science

关键技术：透声颅骨植入物+个性化成像系统

研究招募了两名30多岁接受男性受试者：受试者1因高速创伤致左侧大脑半球挫伤，术后有严重失语症及右侧肢体运动障碍；其聚醚醚酮（PEEK）颅骨修补片是定制设计的，用于覆盖左侧去骨瓣部位，根据受试者对侧未受影响的颅骨CT扫描建模制作。受试者2因右侧岛叶低级别星形细胞瘤切除术后植入PEEK，无明显神经功能缺损。（实验数据以受试者1为主）

实验持续近20个月，研究设计了基于受试者磁共振成像（MRI）扫描的个性化3D打印聚乳酸（PLA）头盔，以根据每个受试者的脑部解剖结构固定功能超声成像（fUSi）探头。头盔含光学跟踪标记，探头插入件依据功能任务目标脑区（如中央前回和中央后回）设计，确保同一2D成像平面的可重复性。光学跟踪系统采用Polaris Vega相机，结合定制软件以20Hz频率记录探头位置，支持超声路径离线重建及与功能性磁共振成像（fMRI）的配准。

受试者1嘴唇感觉运动信号随时间的功能定位及可重复性 @science

功能超声成像（fUSi）采集使用与9L-D线性阵列换能器连接的实验研究系统Vantage-256进行。所有扫描以800赫兹的脉冲重复频率（PRF）采集连续的倾斜平面波（在−12°到12°之间等间距分布10个角度）。平均集合大小（用于计算一个能量多普勒成像（PDI）的帧数）设置为200帧，实时PDI由此计算得出，提供4赫兹的实时多普勒帧率（FR）。为便于在行走过程中进行测量，研究人员将Vantage-256和分析用个人电脑装载到一辆小推车上，受试者自己可以推动这辆推车。

实验设置兼顾实验室环境与户外移动场景。室内环境中受试者在屏幕前执行任务，设备包括跟踪相机和功能性超声成像（fUSi）采集车；户外则使用移动推车，通过100米延长线供电，支持受试者沿30米直线往返行走；同时通过屏幕视觉提示或实验者基于地面标志物的音频提示执行舔唇等功能任务，同步采集超声、光学跟踪和面部视频数据。功能任务聚焦口唇感觉运动皮层激活，包括舔唇、撅嘴等运动任务，唇刷触觉刺激等感觉任务，以及想象唇运动任务。

关键突破：20个月中保持fUSi信号稳定

研究的核心发现在于证明了功能性超声成像（fUSi）信号的长期稳定性和功能特异性：

1. 时间跨度：fUSi探头通过PEEK植入物准确定位到受试者的中央前回和中央后回，对应初级运动和感觉皮层，通过能量多普勒图像（PDI）与磁共振成像（MRI）血管模式重叠验证了定位准确性。在受试者1中，同一脑区的fUSi 信号在t0、+13个月和+21个月三次测量中保持稳定，而且由于PEEK与皮肤间声学接触改善，20个月后血管成像细节随声学接触优化而提升。

2. 特异性：当刺激从唇部转移到额头、耳朵等部位时，脑区激活显著减弱，证明fUSi能精准识别特定功能脑区。甚至在 “想象唇运动” 任务中，大脑也呈现出与实际运动相似的激活模式，进一步验证了特异性，为研究大脑想象功能提供了新工具。

受试者1中功能超声成像（fUSi）信号的功能特异性 @science

3. 移动场景：移动成像实验中，受试者行走时fUSi成功获取高质量PDI和功能图，6次重复任务中功能像素一致性高，预处理几乎无需运动校正，显示平面内稳定性。想象舔唇任务激活模式与实际任务相似但幅度略低。研究还验证了fUSi信号与fMRI热点的重叠，通过估计fUSi特异性血流动力学响应函数（HRF），实现了功能信号的定量分析。

行走过程中采集到的功能性超声成像（fUSi）信号 @science

讨论指出，该研究首次证明功能性超声成像（fUSi）在行走中监测脑活动的可行性，突破了fUSi仅用于手术室的限制，长达20个月的长期监测证明PEEK植入物作为透声窗口的稳定性。未来，fUSi技术可能在多个领域引发变革，包括：

• 神经康复：实时监测中风或脑创伤患者行走时的脑功能重塑，指导个性化康复方案；

• 术后监测：通过 PEEK 植入物持续监测昏迷患者的脑活动，辅助评估预后；

• 脑机接口：结合功能性超声成像（fUSi）的高分辨率和移动性，开发可穿戴的脑信号解码设备。

未来研究方向包括发展实时三维功能性超声成像（3D fUSi）探头以解决2D平面限制，克服经颅超声衰减问题；同时PEEK植入物在创伤后脑功能监测、ICU昏迷患者评估等临床场景的潜力值得探索，其结构成像能力也为肿瘤复发监测提供了新途径，相比MRI更具成本和可及性优势。

该研究与近期Rabut等人《通过声学透明颅骨窗对人类大脑活动进行功能超声成像》的工作共同表明，通过临床级颅骨修补物的fUSi技术为人类脑功能研究开辟了新范式，推动其从手术室工具向移动神经成像平台发展，以及作为在临床和神经科学背景下揭示人脑奥秘的新手段。

*本文主要基于6月18日发表于《Science Advances》的《使用功能性超声的移动人体脑部成像》（Mobile human brain imaging using functional ultrasound）一文，图片内容来自网络侵删。如需了解原文详情，可通过下方链接或扫描底部二维码加入“脑机接口”知识星球获取相关资料。

参考：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adu9133

https://doi.org/10.1126/scitranslmed.adj3143