變廢為寶：基于功能超聲（fUS）腦搏動(dòng)信號實(shí)現(xiàn)呼吸、心率實(shí)時(shí)監(jiān)測

圖1：Iconeus 超分辨率定位纖維技術(shù)（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(yīng)激、疼痛及疾病狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，心率和呼吸監(jiān)測在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床手術(shù)中不可或缺。然而，在小型動(dòng)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(dòng)物，無法用于清醒自由活動(dòng)個(gè)體；無線監(jiān)測技術(shù)雖可部分替代，但成本高昂且操作復(fù)雜，加之嚙齒動(dòng)物體型微小，傳感器精確定位困難。這些技術(shù)瓶頸不僅增加了實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度，更對多源數(shù)據(jù)同步整合提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新性突破：fUS“廢棄數(shù)據(jù)”的生理監(jiān)測價(jià)值開發(fā)
針對上述技術(shù)瓶頸，研究人員開創(chuàng)性地探索了 fUS 中腦搏動(dòng)數(shù)據(jù)的二次利用價(jià)值。傳統(tǒng) fUS 研究中被視為噪聲而濾除的腦搏動(dòng)信號，實(shí)際上蘊(yùn)含著關(guān)鍵的生理監(jiān)測信息。他們研發(fā)的"physio-fUS"技術(shù)通過創(chuàng)新算法，成功實(shí)現(xiàn)了呼吸和心跳信號的精準(zhǔn)提取。
這項(xiàng)技術(shù)的核心突破在于：
1、開發(fā)半自動(dòng)識(shí)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(jī)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(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的同時(shí)，同步獲取生理指標(biāo)
這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了長期存在的技術(shù)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(dāng)作干擾因素剔除，而新方法則將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的監(jiān)測指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了"變廢為寶"的技術(shù)突破。

研究結(jié)果
高精度驗(yàn)證physio-fUS與植入電極數(shù)據(jù)對比
為嚴(yán)格評估physio-fUS技術(shù)的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)采用植入式電極作為金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行同步驗(yàn)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(guān)（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(shí)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(jìn)行方法學(xué)驗(yàn)證，證實(shí)該技術(shù)可無縫整合至在研項(xiàng)目。更關(guān)鍵的是，physio-fUS實(shí)現(xiàn)了生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，無需額外設(shè)備即可完成多模態(tài)數(shù)據(jù)采集，顯著提升了實(shí)驗(yàn)效率。這一突破為自由活動(dòng)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的心率與呼吸率監(jiān)測，研究團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理流程

a：先選取一個(gè)時(shí)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(jì)算并標(biāo)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(yùn)動(dòng)速度信號，用以提取心跳與呼吸所帶來的組織活動(dòng)模式。
d：使用峰值檢測算法來確認(rèn)心率與呼吸頻率。
e：最后提出了一個(gè)尚未實(shí)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(shí)顯示敏感區(qū)域內(nèi)的多普勒信號以及由此實(shí)時(shí)獲取的生理學(xué)信號。
 

圖3：fUS 與電極的同步表明其在麻醉嚙齒動(dòng)物中可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且可靠的心率與呼吸頻率監(jiān)測

臨床驗(yàn)證：physio-fUS在新生兒監(jiān)測中的突破性應(yīng)用
基于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的成功驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)行fUS監(jiān)測，獲得以下重要發(fā)現(xiàn)：

• 實(shí)現(xiàn)了心率信號與fUS數(shù)據(jù)的完美同步采集
• 與ECG金標(biāo)準(zhǔn)相比，測量偏差僅1%
• 證實(shí)了技術(shù)在脆弱新生兒群體中的安全性

參考文獻(xiàn)
[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(shù)的發(fā)明者和專利擁有者，同時(shí)給全球?qū)嶒?yàn)室提供商業(yè)化的ULM解決方案，已在全球80+大學(xué)、研究所、醫(yī)院、公司的實(shí)驗(yàn)室裝機(jī)，包括中國在內(nèi)的近20個(gè)用戶。禮智生物科技是ICONEUS在中國的獨(dú)家授權(quán)經(jīng)銷商，積累了豐富的fUS及ULM技術(shù)的手術(shù)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)。歡迎聯(lián)系我們，了解這一技術(shù)的更多細(xì)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(xué)領(lǐng)域?qū)�業(yè)的科研儀器及技術(shù)服務(wù)供應(yīng)商，在香港、上海、北京、廣州、南京、沈陽等地均設(shè)有分公司。
公司擁有獨(dú)家代理和自研開發(fā)的多款神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域前沿的高科技產(chǎn)品，其中禮智在售產(chǎn)品：

• fUS清醒活動(dòng)動(dòng)物的全腦實(shí)時(shí)功能成像及多臟器血流成像
• 唯一可構(gòu)建體外AI的單細(xì)胞分辨率MEA細(xì)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(jià)比的在體多通道電生理系統(tǒng)及配套電極
• 在體化學(xué)物質(zhì)及神經(jīng)遞質(zhì)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)
• 全自動(dòng)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(wù)訓(xùn)練等行為學(xué)設(shè)備
• 桌面式及大空間PET/CT系統(tǒng)
• 人工授精及胚胎自動(dòng)注射系統(tǒng)
• 立體定位儀、麻醉機(jī)、自動(dòng)化顱骨開窗等小動(dòng)物手術(shù)設(shè)備

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