經(jīng)顱低強度聚焦超聲（LIFU）是一種新興的非侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，具有毫米級空間分辨率和深部靶點可達性，有望用于治療抑郁癥等精神疾病。然而，現(xiàn)有tFUS系統(tǒng)要么依賴全程MRI引導、體積龐大（如ExAblate Neuro），要么采用單陣元機械掃描、無法電子轉(zhuǎn)向，且缺乏穿戴性，限制了重復治療的應用。因此，設計一套可穿戴、可電子轉(zhuǎn)向、無需醫(yī)院基礎設施的LIFU系統(tǒng)成為迫切需求。

本系統(tǒng)設計的三個關(guān)鍵理念為：

頭戴式輕量化結(jié)構(gòu)：將換能器集成于3D打印頭架，總重僅2.5磅，確保長時間佩戴的舒適性與穩(wěn)定性。

電子波束成形：采用128陣元二維矩陣陣列，通過控制各陣元發(fā)射延時，實現(xiàn)焦點在三維空間內(nèi)快速、無聲移動，避免機械掃描的笨重與緩慢。

分層定位策略：結(jié)合光學神經(jīng)導航（粗定位）與電子轉(zhuǎn)向（精定位），既降低了對操作者精度的要求，又保證了個體化靶點的可達性。

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可穿戴系統(tǒng)設計詳解

頭架與換能器集成

系統(tǒng)采用定制3D打印頭架，可牢固貼合于參與者前額及顱頂。頭架正面留有開口，用于放置超聲換能器陣列。如圖1所示（圖1左為換能器與外殼，右為頭架安裝在假人頭上），頭架下緣設有中央定位支撐，正好位于眉間上方，確保每次佩戴的可重復性。

圖1 – 換能器外殼與頭戴裝置

圖1左顯示了安裝在3D打印外殼中的換能器陣列，外殼上固定有三個反光球（用于光學導航追蹤）。圖1右圖展示了頭戴裝置固定在假人頭部上的照片，頭架正面留有開口用于放置換能器，并可見另一組反光球用于頭架本身的配準。

換能器陣列通過水平滑動機構(gòu)與頭架連接，可在不拆卸頭架的情況下橫向移動±2 cm，便于根據(jù)個體解剖調(diào)整入射位置。換能器自身帶有曲率設計，與額頭自然曲線匹配，配合楔形耦合墊（如圖2右）使換能器向下傾斜10°，從而將超聲能量導向深部前額葉靶點（如amPFC）。

圖2 – 佩戴狀態(tài)與楔形耦合墊

圖2左為換能器通過水平滑動機構(gòu)安裝在頭架上的完整佩戴狀態(tài)。右圖為特制的楔形聚合物耦合墊，其10°楔角使換能器自然向下傾斜，以適配前額解剖曲線并將超聲束導向深部前額葉靶點（如amPFC）。

聲耦合與溫度監(jiān)測

換能器與皮膚之間使用定制聚合物凝膠墊及一層薄超聲凝膠，保證聲能高效透入，同時避免空氣間隙造成的反射損失。凝膠墊采用平面?凸面模具制成，使其在貼合換能器曲率的同時，又能適配典型額頭形狀。

在換能器表面四個角落嵌有兩個熱敏電阻，實時監(jiān)測溫度。一旦溫度異常，操作者可通過軟件在1秒內(nèi)中止超聲發(fā)射，或直接摘除頭架實現(xiàn)硬件級緊急停止。

佩戴舒適性與可接受性

在20名健康志愿者的研究中，所有參與者均完成了10分鐘連續(xù)佩戴與超聲遞送。主觀感受問卷顯示，多數(shù)不良反應（如刺痛、振動）的中位數(shù)評分為0–2（10分制），且無一人因不適提前中止。部分參與者甚至報告“感覺放松”。這表明該頭戴裝置具有良好的耐受性。

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可轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計詳解

電子轉(zhuǎn)向原理與范圍

系統(tǒng)使用128陣元二維矩陣陣列（如圖3），每個陣元可獨立控制發(fā)射延時。通過調(diào)整各陣元的相對延時，可使超聲束在空間內(nèi)聚焦并移動，這一過程無需機械運動，因此稱為“電子轉(zhuǎn)向”。

圖3 – 定制曲面矩陣超聲換能器

圖3中展示了本系統(tǒng)核心的定制400 kHz二維矩陣換能器，具有11行×12列陣元（四角未連接），陣元間距4.1 mm，水平方向曲率半徑50 mm。換能器后部連接2米長屏蔽線纜及260針ZIF連接器，表面可見用于溫度監(jiān)測的熱敏電阻位置。

經(jīng)水槽實驗標定（與仿真結(jié)果誤差<5%），該陣列的名義轉(zhuǎn)向范圍為：側(cè)向（x）±12.5 mm，仰角（y）?20~+10 mm，軸向（z）40~60 mm（坐標原點位于陣列幾何中心前方50 mm處）。但考慮到熱安全（顱骨熱指數(shù)TIC<3）及柵瓣抑制（次級波瓣壓力不超過主瓣50%），實際安全轉(zhuǎn)向體積縮小為：側(cè)向1.8 cm、仰角2.5 cm、軸向2 cm，中心位于皮膚下5 cm處。

雙模式定位：機械滑動 + 電子轉(zhuǎn)向

僅靠電子轉(zhuǎn)向無法覆蓋整個前額葉區(qū)域，因此系統(tǒng)設計了機械滑動 + 電子轉(zhuǎn)向的雙模式定位：

機械滑動：換能器可在頭架上橫向移動±2 cm，將整個電子轉(zhuǎn)向體積平移至不同橫向區(qū)間。

電子轉(zhuǎn)向：在每個機械位置上，電子轉(zhuǎn)向在1.8 cm×2.5 cm×2 cm范圍內(nèi)精細調(diào)整焦點。

二者疊加后，系統(tǒng)可覆蓋側(cè)向約6.5 cm、深度40–60 mm的連續(xù)區(qū)域，足以抵達大部分前額葉皮層靶點（如背外側(cè)、腹內(nèi)側(cè)、前扣帶回等）。圖4顯示了20名參與者的個體化靶點在安全轉(zhuǎn)向體積內(nèi)的分布，全部位于TIC<2.5的安全區(qū)域。

圖4 – 基于TIC的安全轉(zhuǎn)向體積

圖4背景色階圖顯示了在階段1.3最激進參數(shù)（PNP=820 kPa）下，不同轉(zhuǎn)向位置對應的顱骨熱指數(shù)（TIC）。白色圓圈標記了20名參與者實際靶點在轉(zhuǎn)向體積內(nèi)的分布。所有靶點均位于TIC<2.5的區(qū)域（遠低于安全限值3.0），表明系統(tǒng)能在足夠大的范圍內(nèi)安全轉(zhuǎn)向。

虛擬配準：個體化避開鼻竇

在研究中發(fā)現(xiàn)，部分參與者的額竇或篩竇會遮擋超聲路徑。為此，團隊事后開發(fā)了“虛擬配準”算法：利用MRI數(shù)據(jù)，對121個候選換能器放置位置逐一模擬從每個陣元到靶點的聲線，檢測是否經(jīng)過竇腔（空氣會完全阻擋超聲）。然后選出既能滿足轉(zhuǎn)向范圍要求、又使被遮擋陣元數(shù)最少的優(yōu)化位置。如圖5所示，綠色點為無遮擋的入射點，紅色點為被竇腔阻擋的點，黃色半透明為分割出的竇腔。

圖5中黃色半透明區(qū)域為分割出的鼻竇腔，青色圓點為靶點，綠色點為無阻塞的陣元入射點，紅色點為被竇腔阻擋的入射點。通過該可視化，操作者可選擇最優(yōu)換能器放置位置（盡可能多綠色點）。圖5展示了虛擬配準算法的輸出，用于前瞻性指導探頭擺放。

應用該虛擬配準后，19名可分析參與者中，僅1人因竇腔過大導致>30%陣元無法避免遮擋，其余均可通過優(yōu)化放置實現(xiàn)無遮擋或<20%遮擋。該技術(shù)將集成到未來研究中，進一步提高遞送效率。

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經(jīng)顱低強度聚焦超聲系統(tǒng)硬件詳解

系統(tǒng)總體框架

整套系統(tǒng)包含四大硬件/軟件組件（如圖6框圖）：

圖6 – 系統(tǒng)組件框圖

圖6展示了Openwater低強度聚焦超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的四大核心組件：可穿戴頭戴設備（含超聲矩陣陣列）、光學神經(jīng)導航系統(tǒng)（用于配準MRI與換能器）、神經(jīng)調(diào)控規(guī)劃軟件（用于波束成形與仿真）以及超聲驅(qū)動電子設備（Verasonics平臺）。圖6中清晰標明了各組件之間的數(shù)據(jù)與控制流向，為理解系統(tǒng)整體架構(gòu)提供了頂層視圖。

可穿戴頭戴裝置（含換能器、頭架、耦合墊）

光學神經(jīng)導航系統(tǒng)（Localite，含立體相機及反光球）

超聲驅(qū)動電子系統(tǒng)（Verasonics Vantage平臺）

控制與規(guī)劃軟件（MATLAB開發(fā)）

圖7展示了實際設備照片：移動推車上放置了計算機、驅(qū)動電子機箱、直流電源、換能器連接器，以及用于神經(jīng)導航的立體相機（安裝在可升降立柱上）。

圖7 – 系統(tǒng)硬件實物照片

圖7顯示了安裝在移動推車上的完整系統(tǒng)硬件，包括顯示器、計算機主機、Verasonics驅(qū)動電子機箱、直流電源、換能器連接接口以及用于神經(jīng)導航的立體相機（安裝在可升降立柱上）。圖2 直觀呈現(xiàn)了系統(tǒng)的實際物理布局，展示了其便攜性與集成度。

超聲換能器陣列

類型：二維矩陣陣列，11行×12列，但四個角上的陣元未連接，實際使用128個有效陣元。

中心頻率：400 kHz。

幾何聚焦：水平方向具有50 mm曲率半徑的圓柱面聚焦，垂直方向無幾何聚焦（依賴電子轉(zhuǎn)向）。

陣元尺寸：方形，邊長4.1 mm（間距），總面積約21.5 cm2。

匹配網(wǎng)絡：在換能器PCB上為每個陣元串聯(lián)電感，以抵消400 kHz時的容性阻抗，提高功率傳輸效率。

連接：通過2米長屏蔽線纜及260針Cannon ZIF連接器接至驅(qū)動電子系統(tǒng)。

驅(qū)動電子系統(tǒng)：Verasonics Vantage平臺

Verasonics Vantage 128 HIFU版是系統(tǒng)的發(fā)射與控制核心，其關(guān)鍵特性如下：

發(fā)射路徑：每通道獨立可編程脈沖發(fā)生器，支持延時（4 ns步長）、脈沖寬度、極性、切趾等參數(shù)。HIFU選項允許毫秒級長脈沖（脈沖長度50–100 ms），且通過外置大功率電源實現(xiàn)高達820 kPa的峰值負壓。

接收與監(jiān)測：雖然本研究主要使用發(fā)射功能，但Vantage也支持14位、62.5 MHz采樣率的回波采集，為未來像差校正或溫度監(jiān)測提供可能。換能器上的熱敏電阻通過輔助通道接入，實時反饋溫度。

軟件控制：MATLAB腳本負責波束成形計算（基于k?wave仿真，如圖8。軟件界面主要分為左右兩大區(qū)域：左側(cè)區(qū)域：顯示參與者的MRI解剖圖像，并在此基礎上疊加換能器模型、靶點標記、模擬聲場（壓力或強度等值線）。該區(qū)域用于可視化驗證換能器與靶點的空間關(guān)系，以及超聲束的預期分布。右側(cè)區(qū)域：是一個多標簽或可滾動的控制面板（Plan Panel），包含治療協(xié)議的參數(shù)設置、當前解決方案的統(tǒng)計分析（如峰值負壓、機械指數(shù)、熱指數(shù)、束寬等），以及啟動/中止超聲遞送的控件）、安全參數(shù)校驗（MI、TIC、ISPTA）、電壓縮放及時序配置。計算出的延時和電壓通過PCIe總線下載至硬件定序器，然后獨立運行，保證實時性。

圖8 規(guī)劃軟件截圖

圖8所展示的規(guī)劃軟件界面分為左右兩區(qū)：左側(cè)顯示參與者的MRI三視圖，并疊加換能器模型、靶點標記以及模擬聲場的等值線（-3 dB、-6 dB等）；右側(cè)為控制面板，包含治療參數(shù)設置（頻率、脈沖長度、目標壓力等）、波束成形選項、仿真結(jié)果（PNP、MI、TIC、束寬）以及啟動/中止控件。該界面是操作者進行個體化規(guī)劃與監(jiān)控的中樞。

神經(jīng)導航與配準

Localite光學導航系統(tǒng)通過立體相機追蹤頭架和換能器上的反光球（換能器上有三個已知幾何關(guān)系的反光球，頭架上另有一組）。相機精度為0.35 mm RMS。操作流程如下：

獲取參與者的T1及PETRA MRI（用于分割顱骨和竇腔）。

在Localite軟件中將MRI與參與者頭部解剖標志（鼻尖、耳屏等）配準。

將換能器注冊到導航系統(tǒng)中（通過專用校準工具）。

操作者將換能器大致放置在額頭，軟件實時計算當前轉(zhuǎn)向需求及被遮擋陣元數(shù)。

這一流程使得粗定位只需“大致瞄準”，因為后續(xù)電子轉(zhuǎn)向可補償數(shù)毫米的偏差。

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臨床研究

研究方法

參與者：20名健康右利手成年人（16女，4男），平均年齡23.6歲。入組標準包括有一定程度的重復性負性思維（PTQ評分高于25百分位），但排除任何精神或神經(jīng)疾病史、頭部金屬植入物、MRI禁忌癥等。

靶點：左側(cè)前內(nèi)側(cè)前額葉皮層（amPFC，MNI坐標約?5,45,?35 mm），該區(qū)域是默認模式網(wǎng)絡的核心節(jié)點，與自我參照思維及抑郁癥的過度連接有關(guān)。

超聲參數(shù)：采用階梯式遞增方案以確保安全：

階段1.1（9人）：單焦點，PNP=510 kPa，ISPTA=201 mW/cm2，MI=0.8。

階段1.2（6人）：多焦點（徑向五點交疊脈沖，如圖9C、9D），PNP=650 kPa，ISPTA=327 mW/cm2，MI=1.03。

圖9 – 單焦點與多焦點聲場模式

圖9A、圖9B為單焦點模式在側(cè)向-仰角平面上的壓力場（A）和強度場（B）等值線圖（-12、-6、-3 dB），顯示典型“雪茄形”焦斑。圖9C、D為階段1.2和1.3中使用的徑向五點交疊多焦點模式，五個焦點呈十字形分布，間距5 mm，用以擴大有效調(diào)控區(qū)域而不增加單點ISPTA。

階段1.3（5人）：同上多焦點，PNP=820 kPa，ISPTA=508 mW/cm2，MI=1.3。

所有階段均采用脈沖串：脈沖寬度50 ms，脈沖重復間隔100 ms（階段1.1）或根據(jù)多焦點輪換調(diào)整（圖10）。總超聲暴露時間10分鐘。

圖10 – 脈沖序列對比

圖10左為階段1.1的單焦點脈沖序列：每個脈沖串持續(xù)30秒，隨后30秒關(guān)閉，循環(huán)交替。圖10右為階段1.2/1.3的多焦點交疊脈沖序列：五個焦點按順序循環(huán)發(fā)射，每個焦點脈沖長度50 ms，脈沖重復間隔延長，從而在無強制關(guān)斷的情況下連續(xù)遞送10分鐘，實現(xiàn)空間平均能量分布。

安全評估：

主觀：遞送前后詢問不適感，并采用0–10分問卷評估刺痛、發(fā)熱、振動、疼痛等感覺。

影像學：遞送后約30分鐘行磁敏感加權(quán)成像（SWI），由兩名神經(jīng)放射科醫(yī)生盲法讀片，檢測有無微出血。

生理：換能器表面溫度監(jiān)測。

研究結(jié)果

可穿戴性與可轉(zhuǎn)向性：

所有20名參與者的amPFC均位于系統(tǒng)安全轉(zhuǎn)向體積內(nèi)（圖4），側(cè)向位置平均?0.9±2.6 mm，仰角?3.5±5.8 mm，軸向50.5±3.7 mm。

操作者報告頭架佩戴簡單，界面引導有效；虛擬配準事后分析顯示，通過優(yōu)化放置可避免大部分竇腔遮擋。

安全性：

無嚴重不良事件。無參與者提前退出。

SWI影像：所有20例掃描均判讀為正常，未見任何微出血征象。

主觀感覺：如下表所示，各項感覺的中位數(shù)均為0（無感覺），最大評分分別為：發(fā)熱5分（1人）、振動/脈沖8分（但僅1人）、聲音9分（但可能源于系統(tǒng)噪聲而非不適）。疼痛最高僅2分，且歸因于頭架壓力而非超聲本身。

熱安全：換能器表面在10分鐘運行時溫度僅35–36°C（靜止空氣測試中20分鐘才達42°C）；仿真顯示皮膚溫升<4.2°C，顱骨表面溫升<3°C（圖11、12）。

圖11 – 模擬使用熱測試結(jié)果

圖11中藍色和綠色曲線為仿生顱骨表面的溫度變化，橙色和紅色為皮膚表面的溫度變化。在10分鐘超聲暴露結(jié)束時，皮膚表面溫升約4.2°C（達25.2°C），骨表面溫升低于3°C（低于24°C），均遠低于組織損傷閾值，驗證了系統(tǒng)在真實耦合條件下的熱安全性。

圖12 – 靜態(tài)空氣熱測試結(jié)果

圖12藍色和綠色曲線為換能器表面不同測點的溫度變化。在持續(xù)20分鐘發(fā)射（無耦合，無間斷）后，表面溫度才達到42°C；而本研究的單次最大暴露時間為10分鐘，此時溫度僅35–36°C。該測試證明即使誤在空氣中運行，也不會造成危險高溫。

遞送效率事后分析：

通過分割MRI并重新仿真（如圖13、14），發(fā)現(xiàn)由于顱骨的衰減和像差，實際到達靶點的峰值負壓僅為設定值的58±19%（圖15）。

圖13 – 有利顱骨幾何的再仿真示例

圖13中展示了某位參與者的MRI分割結(jié)果（皮膚、顱骨、腦組織）以及基于實際發(fā)射參數(shù)（含顱骨）的再仿真聲場。左側(cè)為側(cè)向-仰角平面，右側(cè)為軸向-側(cè)向平面。該參與者的顱骨較薄且鼻竇較小，聲束經(jīng)顱后仍保持良好聚焦，焦點偏移較小。

圖14 – 不利顱骨幾何的再仿真示例

圖14參與者的額竇較大且位置居中，導致聲束路徑被部分遮擋。再仿真顯示焦點嚴重畸變、峰值壓力顯著降低，且焦點向換能器方向偏移約10 mm。圖14揭示了顱骨和竇腔個體差異對遞送效率的顯著影響。

圖15 – 有/無顱骨時峰值負壓對比

圖15比較了全部20名參與者在忽略顱骨（目標壓力）與實際考慮顱骨（經(jīng)顱衰減后）兩種情況下模擬得到的焦點峰值負壓。有顱骨時實際壓力平均僅為目標值的58±19%，且個體差異大（最低僅17%）。該結(jié)果量化了顱骨衰減導致的能量損失，并強調(diào)了像差校正的必要性。

焦點位置平均向換能器方向偏移8.1±2.3 mm（軸向），但側(cè)向偏移僅1.3±0.9 mm，仍遠小于焦斑尺寸（側(cè)向束寬約4–8 mm，軸向束寬約23–25 mm）。因此，盡管能量有損失，但靶區(qū)覆蓋仍可接受。

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總結(jié)

本研究成功設計、構(gòu)建并臨床驗證了一套可穿戴、可電子轉(zhuǎn)向的經(jīng)顱低強度聚焦超聲系統(tǒng)。其核心創(chuàng)新與結(jié)論如下：

可穿戴設計：3D打印頭架+128陣元矩陣換能器，總重2.5磅，配合楔形耦合墊，實現(xiàn)了前額舒適、穩(wěn)定的佩戴，10分鐘遞送耐受性良好。

可轉(zhuǎn)向能力：通過128通道獨立延時控制，實現(xiàn)焦點在1.8 cm×2.5 cm×2 cm體積內(nèi)電子移動；結(jié)合機械滑動（±2 cm），總側(cè)向覆蓋約6.5 cm，深度40–60 mm，足以覆蓋前額葉主要皮層靶點。

硬件集成：Verasonics Vantage HIFU平臺提供190 Vpp、4 ns延時精度的128通道驅(qū)動，MATLAB軟件實現(xiàn)個體化波束成形與安全校驗；光學神經(jīng)導航實現(xiàn)亞毫米級配準。

臨床安全：20名健康志愿者中無不良事件，SWI無微出血，主觀不適輕微，熱指標遠低于安全限值。階梯式遞增方案驗證了最高820 kPa（PNP）的安全性。

局限與改進方向：顱骨衰減導致實際遞送壓力僅為目標的58%，且焦點向探頭方向偏移約8 mm；部分參與者存在竇腔遮擋。未來需開發(fā)像差校正算法（通過調(diào)整各陣元延時和幅度補償顱骨影響），并將“虛擬配準”前瞻性地用于指導探頭放置，以提高遞送效率和靶點精度。

綜上，該系統(tǒng)為前額葉靶點的神經(jīng)調(diào)控研究提供了安全、可穿戴、靈活轉(zhuǎn)向的可靠工具，為后續(xù)在抑郁癥等臨床人群中的應用奠定了堅實基礎。