超声前沿 | 基于行列寻址RCA阵列的三维脑微血管成像

近日，复旦大学智慧医疗超声实验室联合香港理工大学、清华大学和波达公司在《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》期刊在线刊发了基于行列寻址(RCA)阵列的三维超声定位显微成像(3D-ULM)研究成果。

波达自主研发的新型单晶RCA阵列探头(PodaMed-RCA13，13 MHz中心频率，128 + 128阵元，80%带宽)，适用于小动物及浅表器官的高分辨率体积成像。利用该探头，研究团队实现了大鼠脑微血管网络的三维可视化，空间分辨率达24.7μm。基于RCA的三维超分辨超声成像技术突破了传统二维成像方法的局限，实现了全脑微血管网络超分辨率成像和血管直径、流量等参数量化，为神经退行性疾病、脑卒中及脑动脉瘤等领域的研究提供了全新的工具。

大脑微血管网络在脑血流动力学调控及脑功能维持中发挥着至关重要的作用。研究表明，血管形态与功能的变化与神经活动密切相关，且构成了多种脑部疾病的病理基础，如脑动脉瘤、脑卒中以及神经退行性疾病等。因此，大脑微血管结构的三维可视化对于深入理解这些疾病的发生机制具有重要意义。

目前常用的成像技术，如磁共振血管造影(MRA)和微型计算机断层扫描(micro-CT)，普遍存在成像深度受限、空间分辨率不足等问题。相比之下，超声成像作为一种无创、低成本的成像手段，近年来在脑血管成像领域展现出巨大潜力。特别是超声定位显微成像(ULM)技术，通过跟踪微泡的运动轨迹，实现了远超传统超声衍射极限的空间分辨率。尽管已有研究在小动物模型中应用二维ULM技术成功实现了脑血管网络的超分辨率成像，但由于其只能提供二维信息，无法捕捉复杂的三维血管结构及完整的血流动态特征，存在一定局限性。同时传统的全采样阵列和多路复用等三维成像系统存在硬件成本高、成像体积率低等问题。RCA阵列能大幅降低成像所需的电子通道数和探头制造成本，因此，开发基于RCA阵列的三维ULM，对于实现大脑微血管网络的完整可视化和血流动力学参数的精确量化具有重要意义，并有望为肿瘤新生血管观测、脑功能连接和神经性疾病等研究提供一种高效、低成本的方案。

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方法

(A) RCA探头设计

本文开发了128 + 128阵元的RCA超声探头，该探头采用PMN-PT单晶材料，PMN-PT单晶材料具有优异的压电性能，能够提供更高的信号质量和成像稳定性

(B) 动物准备与成像过程

实验使用三只8周龄的雄性大鼠，体重约350 g。首先对大鼠头部进行外科手术，去除部分颅骨，暴露大脑微血管。所有手术过程均在麻醉状态下进行，并使用加热垫保持动物体温在37°C。去除的颅骨窗口尺寸为15 mm×15 mm，确保探头能够接触到大脑表面进行成像。在实验中，使用微泡来增强血管成像效果。微泡溶液的注射通过微型泵系统完成，注射速率为1.5 μL/s，持续时间为13分钟。

(C) 超声成像序列

本文采用了15个倾斜平面波进行数据采集，角度范围从-3.5°到3.5°。通过行、列阵列交替发射和平面波复合，能够获得较高的成像质量，同时保持较大的成像视野。该序列的体积率为500 Hz，确保了足够的时间分辨率来追踪微泡的运动轨迹。采集过程持续13分钟，共获得500个数据块，每个数据块包含200个体积数据。

(D) 数据处理与图像重建

本文采用了延迟求和波束合成技术，结合X-Doppler复合方法。为了去除组织噪声，使用了SVD时空滤波器，显著提高了微泡信号的检测精度。在微泡定位时，首先使用局部最大值提取算法对微泡的三维坐标进行初步识别，并通过高斯核函数进一步拟合微泡中心位置。随后，采用匈牙利算法对微泡轨迹进行追踪，精确计算微泡的速度，最终得到高分辨率的三维血管密度图和血流速度图。

结果

(A) 脉冲回波与PSF测量

RCA探头的工作频率为13 MHz，带宽达到80%，孔径为15.36 × 15.36 mm²，具有较大的成像视野和较高的灵敏度。为了验证该探头的性能，首先进行了脉冲回波测试，结果表明该探头的中心频率为13 MHz，-6 dB带宽为80%。PSF成像结果显示，该探头在不同深度下均能保持较高的分辨率。在深度为7.1 mm时，轴向分辨率为78 µm，横向分辨率为189 µm；在深度为13.3 mm时，轴向分辨率为82 µm，横向分辨率为201 µm。

图1. RCA探头的脉冲回波和PSF测试结果

(B) 大脑三维血管图谱

通过基于RCA阵列的三维超声定位显微成像技术，我们成功实现了对大鼠脑微血管网络的三维可视化。图2展示了从不同角度(冠状面、矢状面和横向面)得到的三维血管渲染图。图2(d)则为选定区域的放大图，进一步展示了微血管的细节，尤其是大脑皮层内的微血管。

图2.大鼠脑血管三维ULM成像结果，血管灰度值与检测到的微泡数量成正比。

(C) 血流速度与流量评估

图3展示了脑血管网络的体积血流动力学渲染结果。图3(a.1)显示了沿深度方向的速度分布，其中蓝色表示向下流动，黄色表示向上流动。图3(a.2)给出了速度场的幅值分布，流速估计范围为3 mm/s至95 mm/s，分别对应小动脉/小静脉与大动脉血流特性。图3(b)为选定血管的流速评估结果，血管直径范围在17.4 µm至56.5 µm之间。在血管中心线位置测量了各分段血管的峰值流速，并基于泊肃叶流假设计算了对应的流量。如图3(b.2)所示，血流量范围为0.2 µL/min至2.3 µL/min。图3(c)为估计流速的直方图统计结果，显示约90%的检测微泡流速分布在5.2 mm/s至65 mm/s之间，速度分布中心值约为17.6 mm/s。

图3. 脑血流速度量化成像。(a) 矢状视图三维速度图：(a.1) 为纵深方向速度图，黄色表示向上流动，蓝色表示向下流动；(a.2) 为三维速度幅值。(b) 选定区域的流量量化。(c) 微泡流速分布。

(D) 血流速度与流量评估

图4为大鼠脑血管的密度和速度切片，厚度均为2mm。图4(a)和图4(b)分别为冠状面切片和矢状面切片。在矢状面切片中选择大脑皮层的两个区域，绘制出血管的强度分布图，如图4(c)所示，对应的半波全宽(FWHM)值范围为17µm~48µm。

图4. 二维ULM的强度和速度投影。(a)冠状面；(b)矢状面；(c)矢状面切片中选择的两个大脑皮层区域和相应的血管强度分布图(白色虚线)。

讨论

基于RCA阵列的三维ULM技术，成功突破了传统二维超声成像的局限，实现了大鼠大脑微血管的高分辨率三维可视化。借助自主研发的13 MHz RCA探头，本研究实现了大脑微血管的超分辨率成像，空间分辨率达24 µm，显著超越了传统超声成像技术的分辨率极限。该技术不仅能够生成高分辨率的脑血管图谱，还可定量评估血流速度与流量，为脑血流动力学研究提供了有力支持。

尽管取得了上述进展，本文研究仍面临若干挑战。一方面，虽然在去除部分颅骨后实现了大脑血管的三维成像，但在实际临床应用中，超声波在穿透完整颅骨时会遭受显著的衰减与畸变，如何实现无创经颅成像仍是未来的重要研究方向。另一方面，当前超声定位显微成像依赖于微泡散射体的运动跟踪，成像过程中可能出现微泡浓度过高从而无法分离独立微泡等问题。为了进一步提升成像的稳定性与成像质量，未来研究可考虑结合更先进的信号处理技术与图像重建算法，以优化成像效果并拓展其临床应用。

结论

本文开发了一种适合小动物体积成像的大孔径单晶RCA阵列，并采用基于RCA阵列的三维ULM技术，获得了大鼠全脑微血管系统的超分辨率成像结果。结果表明，该方法可获得24 μm的空间分辨率，比传统的分辨率极限高出5倍以上。基于高频单晶RCA的3D ULM为大视场内微血管尺度的体内血管成像提供了有效的解决方案，并为研究神经退行性疾病、脑卒中、脑动脉瘤等病理提供了新的成像工具，具有广泛的临床应用前景。