高分辨脑灌注成像技术实现神经疾病无创监测

脑积水是新生儿群体中发病率较高的神经系统疾病，由脑脊液异常积聚引发颅内压升高，可导致脑灌注受损、脑缺血乃至不可逆神经损伤，是新生儿脑部手术的首要诱因。当前临床诊断依赖影像学观察脑室扩张，此时颅内压往往已显著升高，且传统有创颅内压监测存在感染、出血等风险，缺乏安全可靠的无创床边监测手段。本研究利用临床超声造影成像结合血管内微泡追踪算法，量化脑微循环灌注水平，在新生儿脑积水幼猪模型中建立了灌注与颅内压的功能关联，验证了该技术无创评估颅内压、早期识别脑缺血的应用潜力。

本研究由Zeng Zhang、Misun Hwang、Todd J. Kilbaugh、Anush Sridharan与Joseph Katz共同完成，论文题为Cerebral microcirculation mapped by echo particle tracking velocimetry quantifies the intracranial pressure and detects ischemia，发表于Nature Communications。

重要发现
01基于超声造影的脑微循环高分辨测速成像技术
研究采用临床通用的超声造影（contrast-enhanced ultrasound, CEUS）成像模式，以直径小于5微米的血管内微泡作为血流示踪剂，通过回波粒子追踪测速（echo particle tracking velocimetry, echo-PTV）技术实现脑微血管血流的可视化与定量化。为突破超声衍射极限带来的分辨率限制，研究团队首先通过盲反卷积方法估计空间分布的点扩散函数，对原始超声图像进行反卷积增强，将微泡定位的不确定性降低50%；随后结合背景减除、直方图均衡化等预处理步骤，提升微泡信号的信噪比，排除组织信号的干扰。

在微泡追踪环节，研究构建了多步匹配的稳健追踪算法：首先通过前三帧图像的穷尽搜索初始化轨迹，筛选满足形态约束、方向变化阈值且与血管分布热力图重叠的候选轨迹；随后引入卡尔曼滤波预测后续帧中微泡的位置与形态，结合马氏距离阈值匹配真实观测点，逐步更新轨迹的置信度评分。针对多气泡轨迹交叉的歧义问题，研究通过求解最大加权独立集问题完成数据关联，确保每条轨迹对应单个微泡，避免轨迹错配。

该成像技术可分辨间距120微米的微血管，能够同时获取微血管的空间分布与血流速度信息。为验证测速精度，研究将大血管处的粒子追踪测速结果与脉冲多普勒超声测量值对比，结果显示二者平均偏差仅为0.01厘米每秒，95%一致性区间为±1.2厘米每秒，在11厘米每秒的测速范围内具有可靠的测量精度；而微血管内血流速度远低于该上限，可实现稳定的定量测量。

研究提出脑微循环（cerebral microcirculation, CMC）参数作为区域灌注的量化指标，该参数通过累加感兴趣区内所有微血管像素的时间平均流速，再除以区域总面积计算得到，可同时反映微血管密度与血管内流速的综合变化。分析结果显示，皮层与丘脑的脑微循环参数均随颅内压升高呈下降趋势，且皮层区域的灌注下降速率显著高于丘脑，提示皮层微血管对颅内压升高的敏感性更强。单独采用皮层脑微循环参数与颅内压拟合的二次函数具有较高的相关性，若进一步结合脉压、平均动脉压等血流动力学参数构建线性关联模型，原始队列的决定系数可达0.91，纳入验证队列后仍可达到0.84，验证了模型在不同血流动力学状态下的适用性。

相比之下，大血管的时间平均流速与颅内压的相关性显著低于微血管灌注参数，说明宏观血流的变化滞后于微循环响应，仅依靠大血管流速难以实现颅内压的精准评估。这一结果也印证了微循环层面的灌注变化是颅内压升高更早期、更敏感的生物标志物。

研究将皮层微循环参数进行无量纲化处理，构建血流动压与脉压的比值指标。结果显示，当颅内压与平均动脉压的比值达到0.5及以上时，无量纲化的皮层灌注参数会出现数量级的下降，所有出现该特征的案例均符合微透析判定的缺血标准，识别缺血的准确率可达100%；而在灌注参数高于该阈值的案例中，92%均处于非缺血状态。

除平均灌注水平外，颅内压升高还会影响微循环的搏动特性。研究通过心电信号同步划分心动周期相位，得到相位平均的脑微循环参数波动曲线。结果显示，随着颅内压升高，皮层微循环的搏动幅度先缓慢上升，在颅内压超过30毫米汞柱后快速下降；缺血状态下，微血管的血流搏动幅度会出现显著降低，提示微血管受压导致血流阻力大幅升高，搏动性传递受阻。这一特征也可作为缺血识别的补充指标，提升检测的可靠性。

创新与亮点
本研究突破了传统无创颅内压监测依赖大血管血流指标、灵敏度与精度不足的技术瓶颈，首次将流体力学领域的回波粒子追踪测速技术与临床超声造影成像体系结合，实现了脑微血管灌注的定量化高分辨成像，建立了微循环层面的颅内压评估模型。

该技术无需侵入性植入操作，可依托现有临床超声设备实现床边监测，适用于前囟未闭合的新生儿脑积水群体，能够动态追踪颅内压变化并早期识别脑缺血，为神经外科干预时机的决策提供功能学依据。与近红外光谱等技术相比，该方法可穿透至更深的皮层组织，获取空间分辨的灌注分布信息，对新生儿脑损伤的预后评估具有重要临床价值，其技术框架还可拓展至创伤性脑损伤、卒中等多种存在脑缺血风险的临床场景。

总结与展望
本研究基于超声造影成像与微泡追踪技术构建了脑微循环量化参数，在幼猪脑积水模型中验证了其无创评估颅内压、识别脑缺血的可行性，皮层微循环灌注与颅内压具有高度相关性，缺血状态下会出现特征性的灌注量级下降。未来可通过提升超声成像帧率扩展测速范围，发展多平面三维成像技术，同时扩大样本量验证不同病因、病程脑积水的适用性，推动该技术向临床转化，为新生儿脑功能监测提供新的可靠工具。

DOI:10.1038/s41467-022-28298-5.