加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的徐昇（Sheng Xu）副教授及其团队开发了一种可穿戴超声贴片，可以实现无需手持的经颅脑血管成像以及稳定连续的脑血流监测。
该设备的研究团队使用了2 MHz的低频超声波，以减少因颅骨引起的信号衰减和相位失真；同时，他们还添加了铜网屏蔽层，并采用超快超声技术，大幅提高了信噪比，从而实现了精确的3D脑血管成像。
从科学角度来看，这种可穿戴超声贴片为临床和基础血流动力学研究提供了一个强大的平台，最重要的是能够在术中和术后为血管疾病患者提供实时的血流监测。
首先，在手术过程中成像脑血流不仅便于实时监控一些紧急情况，还能帮助临床医生确认手术是否成功。例如，对于蛛网膜下腔出血患者，其大脑中某些血管的血流速度会表现出特定模式。然而，目前在手术过程中尚无设备能够实时监测脑血流，临床医生只能依靠经验判断手术是否成功。因此，如果这项成果能在手术中应用，将为临床医生提供有效的指导。
其次，在术后紧急窗口期，它能够为患者提供全天候的脑血管监测。在美国，接受脑血管手术的患者通常需要经历一个紧急窗口期，以确保脑血管恢复良好且未发生并发症。在此阶段，超声科医生目前使用经颅多普勒（TCD）技术每天在特定时间进行扫描，并假设扫描结果即为患者一天内的血管状况。由于这种方法无法提供全天候监测，因此无法避免诸如早晨扫描正常的患者晚上突然出现血栓流入脑部导致脑梗塞的情况。使用这一成果将有助于患者更好地度过手术窗口期。
脑血流是指大脑中的血液流动，它可以为大脑提供氧气和能量底物，并清除二氧化碳等代谢废物，从而维持正常的大脑功能。因此，在脑疾病的临床筛查和诊断中，持续监测脑血流动力学至关重要。然而，由于脑血管深埋于大脑内部并受到颅骨保护，评估脑血流十分困难。
迄今为止，相关领域的研究人员已经开发出多种测量脑血流的方法，包括计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等。尽管这些设备能够提供足够的空间分辨率，但它们价格昂贵、体积庞大、操作复杂，且需要完整的医疗设施支持，因此在实际医疗场景中并不常用。
经颅多普勒超声（TCD）因其高安全性、低成本、便携性、多功能性以及高时空分辨率等优势，被广泛应用于脑血流动力学监测。然而，这种方法也存在若干局限性。首先，传统的TCD探头是刚性的，需要由临床医生手动固定或通过头带式设备固定，这可能导致监测信号波动、监测质量下降以及患者头部不适。其次，这些探头只能成像复杂的3D脑动脉网络的一部分，不同操作者可能会从3D网络的不同部分获取信号，影响监测结果的重复性和再现性。第三，为了确定获取高质量频谱的最佳角度，临床医生需要手动倾斜探头，这一过程繁琐、耗时且高度依赖专业技能。
基于此，为了克服上述方法的不足，研究团队开发了一种可穿戴超声贴片。与传统的TCD方法相比，这项成果的优势主要体现在以下几个方面。首先，它不仅可以实现脑血管的3D成像，还可以基于此定位特定血管并监测血流，从而提供完整的3D脑血管信息。相比之下，TCD方法只能提供1D或2D图像信息，容易导致较高的监测误差率。其次，所监测的脑血流速度具有高准确性。
在临床实验中，研究人员使用这项成果和TCD探头对三十多名参与者进行了对比验证。结果显示，收缩期峰值速度、平均血流速度和舒张末期速度的平均差值和标准差分别为-1.51 ± 4.34 cm/s、-0.84 ± 3.06 cm/s和-0.50 ± 2.55 cm/s。
最后，本研究开发的可穿戴超声贴片可以皮肤友好地附着在大脑特定窗口上进行监测，这不仅避免了患者长时间佩戴TCD探头带来的不适甚至疼痛，还解决了超声医生在手持探头测试时面临的一系列问题，如手臂酸痛和人为错误。
推动成果转化，造福更多患者和医生
据周赛（Sai Zhou）介绍，这项研究始于2020年初。
他们首先验证了项目的可行性，包括完成超声贴片的初步研发工作并探索其应用场景。
“在这个过程中，我们提出了使用可穿戴超声设备实现经颅多普勒成像的想法，”他说。
接下来，他们设计了一种可穿戴超声贴片，并进一步测试了其成像脑血流的能力。
但当时，他们的设备还无法实现这一目标。直到经过一系列软硬件迭代后，设备才得以在不稳定状态下检测到一些信号。
随后，他们花费了一年多时间探索，发现使用超快超声技术不仅可以大幅提高信噪比，还能在大量不同样本中实现稳定连续的血流成像。
基于此，他们在撰写论文并提交至《自然》（Nature）之前，进一步优化和改进了测量结果。
“这篇论文的审稿过程非常漫长，历时约14个月。一些审稿人是医生。他们认为我们设计的设备非常新颖且实用，但也提出了一些建议，”周赛说。
由于当时他们主要基于年轻人开展了部分临床试验，未覆盖一些可能患有血管疾病的老年人，因此审稿人希望研究团队能够扩大样本量。
针对审稿人的意见，团队将临床试验的样本量扩大到了36名参与者。
在实验过程中，他们首先需要获得美国伦理审查委员会的实验批准，然后在网站上发布实验相关信息以招募更多志愿者。在获得参与者的同意后，实验正式启动。
“我们随机使用传统TCD和可穿戴超声贴片对参与者的血流成像和血流速度进行监测。在获得所有监测结果后，我们进行了相应的统计分析，并最终将分析结果写入论文，”周赛说。
事实上，为了更好地了解特定脑动脉在不同活动场景下的血流动力学调节，研究人员要求参与者完成四项不同的活动：握力测试、瓦尔萨尔瓦测试（Valsalva maneuver）、词语生成和视觉刺激，并重复每项活动15次，以尽量减少混杂因素的干扰。
前两项活动属于物理刺激，研究人员希望通过不同呼吸方式刺激这些行为，观察脑血流的变化。
后两项活动更倾向于诊断脑功能，目的是观察当大脑接收到不同信号刺激时是否存在血流变化。
据周赛介绍，实际上直到完成上述所有临床实验后，这篇论文才被正式接收。
最终，论文以《使用柔性超声贴片进行经颅容积成像》（Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch）为题发表在《自然》上。加州大学圣地亚哥分校博士生周赛（Sai Zhou）、博士后研究员高晓翔（Xiaoxiang Gao）、博士生朴健浩（Geonho Park）和博士生杨欣怡（Xinyi Yang）为共同第一作者，徐昇为通讯作者。
需要注意的是，尽管这项成果目前能够相对稳定地实现脑血流的3D成像和血流速度监测，但仍存在一些局限性，例如分辨率较低。
因此，未来研究人员计划采用其他方法提高设备的分辨率，例如尝试添加造影剂以实现更精细的微血管成像。
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