功能超声技术原理

传统超声采用聚焦声束，上百次发射获得一帧，只能以串行小帧率采集图像。采用非聚焦声波，每次发射获得一帧。锘海超快超分辨功能超声成像系统支持高达20 KHz的超声发射，极大地提升了成像信噪比和灵敏度，从而能以超高时空分辨率监测血流变化。

l  非聚焦声波以1 ms的时间间隔从不同角度发射进入大脑，同时获取全视野内的血红细胞的回声，生成万帧级的超声图像。

l  通过信号滤波，将多帧回声图像运算合成为10 ms级时间分辨率的多普勒图像（Ultrafast Doppler），信号的平均强度与单位体积中红细胞的数量成正比，即直接对应脑血容量（CBV）。

l  通过检测动态脑血容量（CBV）变化，根据神经血管耦合机制，可作为神经元活动和脑功能成像的关键性指标。

填补了fMRI与光学脑成像在高时空分辨率和高穿透深度之间的空白

对比包括经典的fMRI在内的主要的脑功能检测与成像技术，锘海超快超分辨功能超声成像系统全脑成像在时间分辨率、空间分辨率和便携性三个维度具有显著优势，有效填补了全脑功能成像和光学显微镜（fMRI与光学成像）之间的空白，兼顾了穿透深度和分辨率的平衡。

主要大脑功能成像技术三轴图：时间分辨率、空间分辨率、便携性对比

用于清醒活动动物全脑功能成像、全组织高清血流成像

锘海超快超分辨功能超声成像系统是一个即插即用的，集高灵敏度、高分辨率和高成像速度于一体的实时脑功能和微血管成像系统。使用小型化头戴式探头，突破性实现了在清醒自由活动的模式动物（啮齿类和灵长类等）上进行实时脑功能成像，能准确评估脑组织形态学特征及血流动力学特征，可兼容脑电、光遗传学和行为学检测等常规脑检测设备。

技术优势 

l  高空间分辨率：锘海超快超分辨功能超声成像系统相比fMRI具有更高的空间分辨率（锘海超快超分辨功能超声成像系统：~100 μm；fMRI：>500μm），可对全脑小血流进行高灵敏度成像

l  高时间分辨率：锘海超快超分辨功能超声成像系统具有远高于fMRI的时间分辨率（锘海超快超分辨功能超声成像系统：~10 ms；fMRI：~0.5 s），可动态监测微血流变化，以及神经元活动引起的微小变化

l  超分辨率血管成像：超声微泡造影剂成像空间分辨率  <10 μm，比传统超声提升数十倍，可实现矢量化微血流、毛细血管成像

l  高速成像：数秒时间采集上万帧全脑超声图像，分析后可实现全脑小血流网络动力学成像（脉搏波、血流速度、血流方向和血管密度等）

l  高兼容性，价格及维护费用低：可与电生理（EEG）、功能核磁（fMRI）、光遗传、行为学等兼容，实现多模态同步监测

l  多种动物实验应用场景：可在清醒、睡眠、活动和静息等多种状态的动物上进行扫描成像

神经科学领域的应用方向

功能超声成像可应用于神经科学的诸多领域，包括基础研究、药物筛选、神经退行性疾病、脑卒中、脑与脊髓肿瘤、脑与脊髓血管系统其他疾病和脑机接口等。

血管成像

锘海超快超分辨功能超声成像系统超声定位显微成像功能利用超快超声追踪注射入血管的微泡造影剂的运动轨迹，并实现微小血管成像，空间分辨率优于10微米，对血流具有高度的灵敏性，可检出流速低至0.5 毫米/秒的微血流，实时观察从大脑主动脉到小动脉的整个大脑的血管网络。从而实现脑微血管病变的血容量变化量化评价，为中风、肿瘤和阿尔兹海默等重大疾病的诊断提供有力工具。

锘海超快超分辨功能超声成像系统实现了大鼠全脊髓的微血管造影，提供了更为精细的血流成像和血流量评价，可监测脊髓缺血或脊髓损伤引起的半暗带，为脊髓损伤紧急治疗窗内的快速诊断提供有利工具。

超分辨率3D容积微血管超声成像

传统超声用于切面成像，无法实现三维体成像，切面读图难度高。锘海行列寻址RCA探头特点是正交定向阵列，变128*128矩阵式探头为128+128行列通道，为三维成像提供更为简洁高效的解决方案，极大地提升了三维成像帧率(三维体空间采集帧率可达每秒500帧以上)。

超快超声(HIFU)治疗过程可视化

基于微血流实现超声治疗过程可视化，超声消融和成像二合一，成像分辨率高。优势是通过实时血流引导，治疗过程反馈与控制。损伤后血管缺失，跟正常情况形成明显差异。

Yapeng Fu, Kailiang Xu*， IEEE IUS 2023；PCT和中国发明原创技术

功能性神经成像

具有更高的空间分辨率（无造影剂时，约100 μm），适合任务态的神经成像，可用于研究大脑对各种刺激，如触觉、视觉和声音输入的响应。

静息状态下的脑功能连接

      l   与fMRI类似（锘海超快超分辨功能超声成像系统时间分辨率高，可达10毫秒，核磁时间分辨率不足），fUS可以通过计算不同脑区血流信号内在的相关性，绘制大脑固有的功能连接图

        l   一个大鼠模型的多脑区关联性定量评价，看不同脑区的兴奋或者抑制（血流增强或减弱）

神经药理学研究

药物全脑调控研究，可观察不同脑区兴奋或抑制情况（血流增强或减弱）

l  可用于神经药理的研究，确定不同剂量和不同时间点的药物对大脑的调控作用

l  与fMRI相比，锘海超快超分辨功能超声成像系统的方法具有更高的灵敏度、更快的速度和更好的可重复性，更适合在清醒的动物上进行检测，避免麻醉药物对结果的影响

临床研究应用

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锘海超快超分辨功能超声成像系统已被应用于无造影剂下的人脑小血管成像，对比传统彩超，超快多普勒技术可呈现精细化大视野血管影像，提供更为准确的微血流分布，实现血管形态、血流方向和流速精准成像。

初步临床研究表明，无造影剂条件下，锘海超快超分辨功能超声成像系统可用于人脑血管畸形病人脑部畸形血管团成像，成像结果与术前DSA影像吻合，可实时呈现小血管图像，为术中诊断提供便利。

穿颅超快超分辨超声成像——实现大脑小血管疾病、卒中、动脉瘤和神经血管反应畸形的诊断和治疗监测

穿颅超声成像已完成技术突破，超声经颞窗实现颅内血管成像，可达到 CT/MRI 等技术的组织分辨率，同时可以实现在体、无创、实时、长程监测。