Brain science | 颅脑聚焦超声的技术创新与临床应用
在神经外科领域，传统开颅手术往往伴随着创伤大、恢复慢等问题，给患者带来了诸多痛苦和风险。而聚焦超声技术以其“隔空精准治疗” 的独特特性，正逐渐成为改变脑部疾病治疗格局的关键力量。
经颅聚焦超声刺激（tFUS）是一种非侵入性神经调控技术，暂时且可逆地打开颅脑血脑屏障，将超声波能量精准聚焦于颅内靶点，借助机械效应、热效应或非热生物效应实现治疗目的，为脑部疾病的无创治疗开辟了新的途径，也为神经系统疾病的治疗提供了更安全、更精准的全新选择。
这种非侵入性神经调控技术，利用高度聚焦的声波实现对特定脑区的精确、可逆和非侵入性调控，具有高空间分辨率、深部穿透能力和可调节性等特点。其通过压电换能器阵列产生高频超声波（200kHz-1MHz），并利用相控阵技术将多个超声波束精确聚焦于目标脑区，形成高度局部化的声场；这种技术能够实现毫米级精度的深部脑结构刺激，包括海马、丘脑、杏仁核、基底节等。同时最大限度地减少对周围组织的影响。tFUS主要通过微小热效应、机械效应和声流效应等机制影响神经活动，从而调节神经元活动。
目前国际上tFUS被应用于前沿疾病治疗以及精准脑调控。tFUS弥补了过去非侵入神经调控手段无法直接针对深层病灶进行刺激的短板，正逐渐成为帕金森、阿尔兹海默症、癫痫的前沿治疗手段之一。同时tFUS也被应用于传统神经调控技术覆盖的疾病，包括抑郁症、精神分裂症等，用以探索更低感、更精准的替代治疗方法。
▲针对丘脑的 tFUS 示意图
可以说，tFUS为进一步在体研究大脑功能提供了一种全新的、十分具有前景的脑科学研究手段；并且将为各类与深部核团相关疾病的治疗创造新疗法的土壤。
一、经颅聚焦超声刺激（tFUS）的分类
HIFU 一般是指声强度处于 1000~10000W/cm² 的 FUS，通过聚焦后的高能量产生热效应或机械效应，实现病灶组织的精准消融，适用于治疗深部、边界清晰的病灶（如下丘脑错构瘤、颞叶癫痫病灶等）。
LIFU 一般是指声强度小于 3 W/cm² 的 FUS，可用于调节特定区域的神经元活动，可逆地打开血脑屏障，选择性地传递治疗药物等。LIFUS（低强度聚焦超声刺激）技术在超声刺激之前要明确超声刺激的目标组织或器官，然后应用固定装置固定聚焦超声换能器，使换能器发射的声束精准刺激靶目标。
二、经颅聚焦超声刺激（tFUS）的临床应用
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高强度聚焦超声（HIFU）的临床应用
▲INSIGHTEC ExAblate 4000 1.0型750瓦系统控制控制台（搭载7.33版本软件）
▲INSIGHTEC ExAblate 4000 GE 3T Signa Architect磁体
（一）热消融技术
国际聚焦超声领域权威机构聚焦超声基金会（Focused Ultrasound Foundation）2024 年年报显示，聚焦超声消融手术目前全球投入应用或研究中的独立适应症达 171 种，应用前景广阔。
1、Insightec 公司的 Exablate Neuro 平台采用 MRI 实时测温技术，在治疗帕金森病时，能够将热损伤范围严格控制在亚毫米级。其 2025 年获批的双侧分期治疗方案通过 pallido thalamic 束切开术，显著改善了晚期帕金森病患者的 rigidity、运动迟缓等症状。在特发性震颤治疗中，高频聚焦技术的精度优势更为凸显，临床数据表明，单侧丘脑腹中间核消融可使患者震颤评分降低 70% 以上。
目前飞利浦的MRI扫描仪已与Insightec技术兼容，可用于治疗特发性震颤（ET）和帕金森病患者。此前，Insightec的聚焦超声设备主要兼容GE的MRI系统，GE的MRI系统为Insightec提供了高质量的影像引导支持，使聚焦超声治疗能够精确定位病灶区域，并实时监测温度变化，确保治疗的安全性和有效性。
▲ExAblate Neuro
2、Theraclion公司的EKOSON®系统开展了乳腺癌脑转移进行高频超声热消融的临床试验，融合治疗与监控双模态探头，术中通过超声弹性成像与多普勒血流中断反馈替代MRI测温，结合AI边界预测算法，使深部肿瘤消融可脱离MRI环境完成。但其需要进一步在深部精度与浸润性肿瘤应用上验证可行性。
（二）高压机械力（组织破碎术）
超声组织破碎术的原理在于利用高强度短脉冲超声波在靶组织内瞬时生成微小气泡，当这些气泡因惯性空化（inertial cavitation）破裂时，释放的冲击波可机械性破坏细胞膜甚至液化细胞，从而实现无热损伤地精准组织消融。
超声组织破碎术设备与传统超声设备类似，通常包括超声发射阵列和接收阵列，但在功能和设计上有所不同。特别是，治疗用的聚焦超声设备需要具备较高的功率和精度，以便在目标区域内产生足够强的空化气泡。
设备的设计需要考虑多个因素，例如超声阵列的几何形状、频率、功率、脉冲重复频率等。不同的设计参数会影响气泡云的密度、气泡的膨胀程度以及治疗的精确度。
1、在2023年10月，FDA批准了HistoSonics公司开发的名为Edison的新型FUS治疗平台，其通过无创的组织破碎术治疗肝脏肿瘤。Edison 平台的工作原理是向肿瘤组织的特定区域发送声波束。超声波能量在组织周围形成压力，产生气泡并迫使它们快速膨胀和塌陷，帮助分解和液化目标组织。
▲Edison 平台
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脑肿瘤（brain tumors）
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脑内出血（intracerebral hemorrhage）
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未来可能涉及的其他脑部病变
但挑战同样严峻：
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个体颅骨差异对治疗一致性构成威胁
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设备成本、成像配合、穿透能力均需升级
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与MRI或其他成像系统的耦合集成是关键
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低强度聚焦超声（LIFU）的临床应用
1、低强度聚焦超声（LIFU）
通过低能量超声波改变神经细胞特性，具有可逆性，还可暂时开放血脑屏障，为后续药物、基因治疗铺路。
▲左：一套LIFU聚焦超声系统；右：具有诊断与超声处理能力的LIFU换能器
（一）神经调控技术
神经调控技术展现出了最广泛的频率适应性，覆盖 200kHz-1.5MHz 范围。它通过低强度超声的机械刺激来调节神经元活动，从而实现对脑部功能的调控。
1、NeuroFUS®是一个由英国Brainbox联合Sonic Concepts公司制造的集成式系统，提供低强度（非热效应）的聚焦超声波（FUS），用于经颅脑部或经皮神经调节，来支持神经科学研究以及医疗设备研究和开发。其包括多种规格的超声换能器，配套神经影像导航定位系统，全自动机器人系统，超声刺激仿真模拟及规划软件系统等。
2、来自德克萨斯大学奥斯汀分校的科研团队，成功研发了一款微型化、可穿戴的超声神经调控设备—MiniUITra，该系统巧妙地将自聚焦超声换能器与一种创新的长效生物粘附水凝胶相结合，实现了如创可贴般便捷的长期佩戴和精准的皮层刺激。这项发表于《Nature Communications》的研究，为无创神经调控技术走向长期、家庭化应用铺平了道路 。
▲ a) MiniUITra可像贴片一样长期附着于头皮，靶向刺激大脑皮层，解决了传统凝胶易脱水、黏附性差的问题。b) 其机制是通过聚焦超声（FUS）抑制特定神经活动，如图中对感觉诱发电位（SEP）的P27-N20波的抑制。c-h) 展示了设备的层状结构、水凝胶的化学构成、设备实物及佩戴在头皮上的状态。
3、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”（IF：64.8）的研究论文。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。
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，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。
4、除此之外，可穿戴聚焦超声颅脑设备还有一种创新材料。深圳大学Tailin Xu课题[4]组提出了一种便携式、完全集成的可穿戴超声系统，旨在促进淀粉样蛋白解聚。该系统包括柔性蜂窝超声阵列贴片、柔性印刷电路和交互式终端控制系统，以方便治疗过程。
结果表明，该系统有效地减少了大脑中的淀粉样蛋白，改善了家族性阿尔茨海默病（FAD）小鼠模型的认知功能，增强了β淀粉样斑块的小胶质细胞吞噬作用，并将小胶质细胞极化从M1转移到M2。
▲用于治疗阿尔茨海默病的适形超声贴片概述
（二）超声作用下微气泡技术
此技术原理是将直径约1–2微米的气泡注入血液，再利用聚焦超声波驱动气泡在毛细血管中剧烈震荡、膨胀与收缩，牵动血管壁，暂时性拉开血管内皮细胞之间的紧密连接，使药物或抗体得以进入脑组织。这一过程具有良好的可逆性与安全性，不损伤神经组织。
这些微气泡比红细胞还小，内部充满气体，并且有一层由脂肪分子构成的特殊涂层来保持其稳定。它们与药物一同被注入血液，然后在目标部位通过超声波激活。微气泡的运动在血管壁的细胞膜上形成微小的孔隙，药物便可通过这些孔隙。
1、近日，美国弗吉尼亚大学（UVA）研究团队发表了一项开创性研究[2]：通过聚焦超声（FUS）联用微气泡，在小鼠脑内成功阻止了脑血管畸形（CCMs，cerebral cavernous malformations）的生长，实验组中高达94%的病变得以稳定，无需药物、手术或放射治疗，为未来无创治疗CCMs开辟了新方向。
该技术利用微米级气泡在聚焦超声波作用下穿透血–脑屏障，当声波聚焦至病变部位时，微气泡产生的机械作用可抑制血管畸形扩张。
目前，团队已完成针对既往接受立体定向放疗患者的模拟治疗规划，证实现有临床聚焦超声设备即可实施该疗法。下一步，将启动首批人体临床试验，并深入探究微气泡与聚焦声波作用的“黑箱”机制，以期进一步优化并拓展至基因药物协同治疗。
2、国外公司Carthera® 研发的SonoCloud®设备是一项突破性的医疗技术，能够通过超声波暂时增加脑血管的通透性，从而改善药物治疗的效果。
公司主要的技术平台是通过低频超声和静脉微气泡媒介进行联合治疗。低频超声使得气泡组织进行震动。震动能够影响血脑屏障并帮助大小分子的药物递送。
通过使用SonoCloud®，新药和现有疗法的治疗效能得以发挥，能够改善多种脑部疾病的治疗效果，包括肿瘤相关疾病（如胶质母细胞瘤、脑转移癌）以及神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症）。
Carthera公司于2024年2月启动了其大规模比较性临床试验SONOBIRD（NCT 05902169），该试验旨在评估SonoCloud-9设备联合化疗对比标准化疗在复发性胶质母细胞瘤（GBM）患者中的疗效。该试验目前在欧洲和美国约30个临床中心进行，计划招募560名患者，预计将在两年内完成。
▲SonoCloud
3、BURL Concepts公司开发的SONAS是一种便携式超声设备，用于无创脑灌注评估。它便捷、快速诊断的特点有望使得更多患者能够及时被诊断，更多适合机械血栓清除的患者得到及时有效治疗。
SONAS与微气泡造影剂（已获批）结合使用。使用前需要通过外周静脉注入超声微气泡。头部两侧的超声波换能器安装在耳机中，使用低强度、非侵入性超声波来激发整个脑血管中的信号示踪剂（微气泡）。公司目前成功进行了2项安全性和可行性临床试验，可行性研究结果表明SONAS对于中风诊断的敏感性为93%，准确性为89%，没有不良事件发生。
▲外周静脉注入超声微气泡
4、美国团队[3]开发的吲哚菁绿掺杂微泡（MBs-ICG）实现了聚焦超声治疗的实时可视化。这种多功能微泡在 NIR-II 窗口（1000-1700nm）发出明亮荧光，既能作为超声造影剂辅助 BBB 开放，又可通过光热效应增强胶质母细胞瘤治疗。在小鼠模型中，该系统实现了 168.9μm 的荧光分辨率和 7mm 的超声穿透深度，为精准监测治疗效果提供了全新工具。
▲小鼠实验
（三）声动力疗法（SDT）
颅脑聚焦超声的声动力疗法（Sonodynamic Therapy, SDT）是一种新兴的癌症治疗技术，它结合了超声波和声敏剂药物的作用来杀死癌细胞。SDT是一种非侵入性、靶向性强的治疗方法，通过使用低强度的聚焦超声波（通常小于10 MPa、低于10 W/cm²）激活事先注射到患者体内的声敏剂。这些声敏剂本身无毒，但在超声波的作用下被激活，产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），如单线态氧和自由基，这些物质能够破坏癌细胞的DNA、膜结构等，从而导致细胞死亡。SDT技术的优势在于它能够深入人体组织，对难以通过常规手术、化疗或放疗治疗的深部肿瘤具有显著的治疗效果。
1、美国肿瘤治疗研发公司Alpheus Medical, Inc正在开发相关的创新SDT治疗方案。该方案结合了低强度弥散超声（LIDU）和口服5-氨基乙酰丙酸（5-ALA），无需影像或镇静便可在整个患侧脑半球内靶向和杀死癌细胞。治疗中，5-ALA首先作为超声增敏剂，在超声输送前给药，然后由超声设备（CV01）向大脑深部区域输送非烧蚀、低强度的超声波，以诱导癌细胞凋亡。
近日，Alpheus Medical公司宣布获得5200万美元的融资，用于推进其超声激活脑肿瘤疗法的临床试验。
2、近期，苏州医工所董文飞研究员团队通过制备一种新型碳基纳米声敏剂，在声动力治疗脑胶质瘤领域取得了重要进展。体外研究表明，该声敏剂具有优异的声动力效果，细胞水平实验验证了其出色的肿瘤细胞杀伤能力。除此之外，在小鼠和斑马鱼模型中表现出良好的血脑屏障穿透性，并在小鼠脑胶质瘤模型中展现了优异的抗肿瘤效果，通过血液生化指标以及组织切片染色验证了其具有较高的安全性。
该研究以“Metal-Doping Strategy for Carbon-Based Sonosensitizer in Sonodynamic Therapy of Glioblastoma”为题发表于期刊Advanced Science （中国科学院一区）。
三、数智化趋势与展望
从非侵入性调控深部脑区的技术突破，到热消融、微气泡介导给药、神经调控等多路径的临床探索，颅脑聚焦超声技术已走过从概念验证到多元应用的关键历程。Insightec 的精准热消融、Carthera 的血脑屏障开放、HistoSonics 的组织破碎术，以及中外科研团队在声动力疗法、可穿戴设备上的创新，共同勾勒出这项技术从 “创伤替代” 向 “功能重塑” 的进化轨迹 —它不仅让帕金森病、脑肿瘤等疾病的无创治疗从理想照进现实，更为深部脑核团功能研究提供了前所未有的工具。
而数智化 3.0 时代的到来，正赋予这项技术更深远的变革力量。当 AI 闭环控制将治疗精度推向亚毫米级，当数字孪生与量子标记技术实现 “预测 - 调控 - 监测” 全流程优化，颅脑聚焦超声不再仅是单一治疗手段，更成为神经外科 “精准化、智能化、无创化” 转型的核心引擎。未来，随着多模态影像融合的深化、跨技术协同的突破，叠加设备小型化、算法自主化、治疗智能化的迭代创新，这项技术必将在破解阿尔茨海默病、意识障碍等医学难题中扮演关键角色，最终实现从 “有创干预” 到 “无创治疗” 的跨越，为人类脑部健康开辟更广阔的无创施治新图景。
【参考文献】
[1]杨 D， Fu S， 赵 M， Shi Y.经颅聚焦超声在意识障碍中的前景：叙述性回顾。暴击护理。2025 年 3 月 12 日;29(1):109.doi：10.1186/s13054-025-05338-2。
[2]Fisher DG, Cruz T, Hoch MR, Sharifi KA, Shah IM, Gorick CM, Breza VR, Debski AC, Samuels JD, Sheehan JP, Schlesinger D, Moore D, Mandell JW, Lukens JR, Miller GW, Tvrdik P, Price RJ. Focused ultrasound-microbubble treatment arrests the growth and formation of cerebral cavernous malformations. Nat Biomed Eng. 2025 May 13. doi: 10.1038/s41551-025-01390-z.
[3]NIR-II fluorescence visualization of ultrasound-induced blood–brain barrier opening for enhanced photothermal therapy against glioblastoma using indocyanine green microbubbles Science Bulletin ( IF 21.1 ) Pub Date : 2022-10-29 , DOI: 10.1016/j.scib.2022.10.025
[4]邹F， 刘Y， 罗Y， 徐T.一种可穿戴时空可控超声波设备，具有淀粉样蛋白β分解功能，用于连续阿尔茨海默病治疗。2025 年 8 月的 Sci Adv.;11（31）：eadw1732。doi：10.1126/sciadv.adw1732。
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