變廢為寶：基于功能超聲（fUS）腦搏動信號實現(xiàn)呼吸、心率實時監(jiān)測
巴黎研究團隊開發(fā)“physio-fUS”
在依托功能超聲（functional ultrasound, fUS）和功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）進行的相關研究中，心率和呼吸頻率的精確監(jiān)測至關重要，但實際操作中面臨諸多技術挑戰(zhàn)。
近期，來自巴黎的研究團隊（由 Iconeus 科技公司和 Physics for Medicine Paris 實驗室的科研人員共同組成）在《柳葉刀》子刊《eBiomedicine》（IF2023=9.7）發(fā)表了題名為“Physio-fUS: a tissue-motion based method for heart and breathing rate assessment in neurofunctional ultrasound imaging”的文章，創(chuàng)新性地開發(fā)了"physio-fUS"方法，通過分析 fUS 信號處理過程中常規(guī)被剔除的腦搏動數(shù)據(jù)，成功實現(xiàn)了嚙齒動物和人類研究過程中的心率及呼吸頻率高精度監(jiān)測。
圖1：Iconeus 超分辨率定位纖維技術（ULM）數(shù)據(jù)可視化與分析
傳統(tǒng)心率和呼吸監(jiān)測存在局限性
作為評估應激、疼痛及疾病狀態(tài)的關鍵指標，心率和呼吸監(jiān)測在動物實驗和臨床手術中不可或缺。然而，在小型動物 fUS 或 fMRI 神經(jīng)成像研究中，傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在顯著局限：植入式電極僅適用于麻醉動物，無法用于清醒自由活動個體；無線監(jiān)測技術雖可部分替代，但成本高昂且操作復雜，加之嚙齒動物體型微小，傳感器精確定位困難。這些技術瓶頸不僅增加了實驗復雜度，更對多源數(shù)據(jù)同步整合提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新性突破：fUS“廢棄數(shù)據(jù)”的生理監(jiān)測價值開發(fā)
針對上述技術瓶頸，研究人員開創(chuàng)性地探索了 fUS 中腦搏動數(shù)據(jù)的二次利用價值。傳統(tǒng) fUS 研究中被視為噪聲而濾除的腦搏動信號，實際上蘊含著關鍵的生理監(jiān)測信息。他們研發(fā)的"physio-fUS"技術通過創(chuàng)新算法，成功實現(xiàn)了呼吸和心跳信號的精準提取。
這項技術的核心突破在于：
1、開發(fā)半自動識別算法，精確定位大腦中對心跳和呼吸周期特異的敏感區(qū)域
2、 建立持續(xù)監(jiān)測機制，將原始回波信號轉(zhuǎn)化為可量化的生理參數(shù)
3、保留完整的 fUS 血流動力學數(shù)據(jù)的同時，同步獲取生理指標
這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了長期存在的技術難題，更開辟了 fUS 數(shù)據(jù)利用的新維度。傳統(tǒng)處理流程中，這些生理信號往往被當作干擾因素剔除，而新方法則將其轉(zhuǎn)化為有價值的監(jiān)測指標，實現(xiàn)了"變廢為寶"的技術突破。
研究結(jié)果
高精度驗證physio-fUS與植入電極數(shù)據(jù)對比
為嚴格評估physio-fUS技術的準確性，研究團隊采用植入式電極作為金標準進行同步驗證。對比分析顯示：
1、數(shù)據(jù)一致性：兩組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高度線性相關（R²>0.99）
2、測量精度：小鼠和大鼠的心率、呼吸頻率檢測誤差均<1%
3、時效性：生理參數(shù)獲取與fUS成像完全同步
值得注意的是，本研究創(chuàng)新性地利用歷史數(shù)據(jù)進行方法學驗證，證實該技術可無縫整合至在研項目。更關鍵的是，physio-fUS實現(xiàn)了生理參數(shù)的實時監(jiān)測，無需額外設備即可完成多模態(tài)數(shù)據(jù)采集，顯著提升了實驗效率。這一突破為自由活動動物的生理-神經(jīng)同步研究提供了全新解決方案。
圖2：在功能性超聲（fUS）神經(jīng)成像實驗中，為實現(xiàn)實時的心率與呼吸率監(jiān)測，研究團隊所設計的數(shù)據(jù)處理流程
a：先選取一個時長為4秒的窗口（在500 Hz采樣率下包含2000幀圖像）。
b：根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)，計算并標出用于心跳與呼吸監(jiān)測的敏感區(qū)域，并將其映射到小鼠腦圖譜上。
c：在這些指定區(qū)域內(nèi)獲取組織運動速度信號，用以提取心跳與呼吸所帶來的組織活動模式。
d：使用峰值檢測算法來確認心率與呼吸頻率。
e：最后提出了一個尚未實現(xiàn)的概念性方案：將這一過程整合到Iconeus One的IcoScan軟件中，在軟件界面同時顯示敏感區(qū)域內(nèi)的多普勒信號以及由此實時獲取的生理學信號。
圖3：fUS 與電極的同步表明其在麻醉嚙齒動物中可實現(xiàn)精準且可靠的心率與呼吸頻率監(jiān)測
臨床驗證：physio-fUS在新生兒監(jiān)測中的突破性應用
基于動物實驗的成功驗證，研究團隊與巴黎Robert Debré醫(yī)院合作開展了首期臨床研究。該研究采用非侵入式方案，通過前囟門對6名早產(chǎn)兒進行fUS監(jiān)測，獲得以下重要發(fā)現(xiàn)：
- 實現(xiàn)了心率信號與fUS數(shù)據(jù)的完美同步采集
- 與ECG金標準相比，測量偏差僅1%
- 證實了技術在脆弱新生兒群體中的安全性
研究展望與未來方向
基于現(xiàn)有研究成果，physio-fUS技術展現(xiàn)出三大核心價值：
多參數(shù)同步：通過單一fUS系統(tǒng)實現(xiàn)生理與神經(jīng)數(shù)據(jù)的精確同步
臨床適用性：新生兒研究證實其轉(zhuǎn)化醫(yī)學潛力
機制探索：為揭示生理-神經(jīng)-血管耦合機制提供新工具
未來研究將聚焦以下方向：
技術優(yōu)化：提升敏感區(qū)域識別穩(wěn)定性，完善呼吸率檢測算法
方法驗證：開展更大規(guī)模的金標準對照研究
應用拓展：探索在造影增強成像等新模式下的適用性
呼吸、心率實時監(jiān)測的功能將很快整合進ICONEUS商用系統(tǒng)中。作為行業(yè)領先者，ICONEUS始終致力于將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為可規(guī)模化應用的商用解決方案，讓用戶能夠更安全、便捷、精準地獲取數(shù)據(jù)，從而將更多精力聚焦于科研創(chuàng)新。
參考文獻
[1] N. Zucker, S. Le Meur-Diebolt, F. Cybis Pereira, J. Baranger, I. Hurvitz, C. Demené, B.-F. Osmanski, N. Ialy-Radio, Valérie Biran, O. Baud, S. Pezet, T. Deffieux and M. Tanter, Physio-fUS: a tissue-motion based method for heart and breathing rate assessment in neurofunctional ultrasound imaging, eBiomedicine, 2025, 112: 105581DOI:10.1016/j.ebiom.2025.105581
ICONEUS
ICONEUS是ULM技術的發(fā)明者和專利擁有者，同時給全球?qū)嶒炇姨峁┥虡I(yè)化的ULM解決方案，已在全球80+大學、研究所、醫(yī)院、公司的實驗室裝機，包括中國在內(nèi)的近20個用戶。禮智生物科技是ICONEUS在中國的獨家授權(quán)經(jīng)銷商，積累了豐富的fUS及ULM技術的手術、實驗和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗。歡迎聯(lián)系我們，了解這一技術的更多細節(jié)和資料！（聯(lián)系方式見文末）
禮智生物介紹
禮智生物科技有限公司成立于2011年，是神經(jīng)科學領域?qū)I(yè)的科研儀器及技術服務供應商，在香港、上海、北京、廣州、南京、沈陽等地均設有分公司。
公司擁有獨家代理和自研開發(fā)的多款神經(jīng)科學領域前沿的高科技產(chǎn)品，其中禮智在售產(chǎn)品：
- fUS清醒活動動物的全腦實時功能成像及多臟器血流成像
- 唯一可構(gòu)建體外AI的單細胞分辨率MEA細胞電生理成像
- 家喻戶曉的Neuropixels數(shù)字神經(jīng)電極在體多通道電生理
- 大空間、快掃描、可結(jié)合電生理記錄的雙光子顯微鏡
- 無線光遺傳、無線光纖記錄、無線在體多通道、無線EEG等多款特色無線記錄系統(tǒng)
- 多色多通道光纖記錄、Miniscope、雙色大視野熒光顯微鏡等多款在體鈣成像系統(tǒng)
- 超高性價比的在體多通道電生理系統(tǒng)及配套電極
- 在體化學物質(zhì)及神經(jīng)遞質(zhì)實時檢測系統(tǒng)
- 全自動腦片膜片鉗、迷你膜片鉗、人工脂雙層等電生理系統(tǒng)
- 軟、硬組織透明化、光片顯微鏡
- 氣浮籠、隔音箱、任務訓練等行為學設備
- 桌面式及大空間PET/CT系統(tǒng)
- 人工授精及胚胎自動注射系統(tǒng)
- 立體定位儀、麻醉機、自動化顱骨開窗等小動物手術設備
聯(lián)系我們
如果您想了解我們產(chǎn)品的更多信息，歡迎撥打禮智官方客服電話18260099904、微信掃碼公眾號或者添加禮智小客服咨詢。
