可穿戴的tFUS工程化关键路在何方？

经颅低强度聚焦超声（LIFU）是一种新兴的非侵入性神经调控技术，具有毫米级空间分辨率和深部靶点可达性，有望用于治疗抑郁症等精神疾病。然而，现有tFUS系统要么依赖全程MRI引导、体积庞大（如ExAblate Neuro），要么采用单阵元机械扫描、无法电子转向，且缺乏穿戴性，限制了重复治疗的应用。因此，设计一套可穿戴、可电子转向、无需医院基础设施的LIFU系统成为迫切需求。

本系统设计的三个关键理念为：

头戴式轻量化结构：将换能器集成于3D打印头架，总重仅2.5磅，确保长时间佩戴的舒适性与稳定性。

电子波束成形：采用128阵元二维矩阵阵列，通过控制各阵元发射延时，实现焦点在三维空间内快速、无声移动，避免机械扫描的笨重与缓慢。

分层定位策略：结合光学神经导航（粗定位）与电子转向（精定位），既降低了对操作者精度的要求，又保证了个体化靶点的可达性。

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可穿戴系统设计详解

头架与换能器集成

系统采用定制3D打印头架，可牢固贴合于参与者前额及颅顶。头架正面留有开口，用于放置超声换能器阵列。如图1所示（图1左为换能器与外壳，右为头架安装在假人头上），头架下缘设有中央定位支撑，正好位于眉间上方，确保每次佩戴的可重复性。

图1 – 换能器外壳与头戴装置

图1左显示了安装在3D打印外壳中的换能器阵列，外壳上固定有三个反光球（用于光学导航追踪）。图1右图展示了头戴装置固定在假人头部上的照片，头架正面留有开口用于放置换能器，并可见另一组反光球用于头架本身的配准。

换能器阵列通过水平滑动机构与头架连接，可在不拆卸头架的情况下横向移动±2 cm，便于根据个体解剖调整入射位置。换能器自身带有曲率设计，与额头自然曲线匹配，配合楔形耦合垫（如图2右）使换能器向下倾斜10°，从而将超声能量导向深部前额叶靶点（如amPFC）。

图2 – 佩戴状态与楔形耦合垫

图2左为换能器通过水平滑动机构安装在头架上的完整佩戴状态。右图为特制的楔形聚合物耦合垫，其10°楔角使换能器自然向下倾斜，以适配前额解剖曲线并将超声束导向深部前额叶靶点（如amPFC）。

声耦合与温度监测

换能器与皮肤之间使用定制聚合物凝胶垫及一层薄超声凝胶，保证声能高效透入，同时避免空气间隙造成的反射损失。凝胶垫采用平面‑凸面模具制成，使其在贴合换能器曲率的同时，又能适配典型额头形状。

在换能器表面四个角落嵌有两个热敏电阻，实时监测温度。一旦温度异常，操作者可通过软件在1秒内中止超声发射，或直接摘除头架实现硬件级紧急停止。

佩戴舒适性与可接受性

在20名健康志愿者的研究中，所有参与者均完成了10分钟连续佩戴与超声递送。主观感受问卷显示，多数不良反应（如刺痛、振动）的中位数评分为0–2（10分制），且无一人因不适提前中止。部分参与者甚至报告“感觉放松”。这表明该头戴装置具有良好的耐受性。

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可转向系统设计详解

电子转向原理与范围

系统使用128阵元二维矩阵阵列（如图3），每个阵元可独立控制发射延时。通过调整各阵元的相对延时，可使超声束在空间内聚焦并移动，这一过程无需机械运动，因此称为“电子转向”。

图3 – 定制曲面矩阵超声换能器

图3中展示了本系统核心的定制400 kHz二维矩阵换能器，具有11行×12列阵元（四角未连接），阵元间距4.1 mm，水平方向曲率半径50 mm。换能器后部连接2米长屏蔽线缆及260针ZIF连接器，表面可见用于温度监测的热敏电阻位置。

经水槽实验标定（与仿真结果误差<5%），该阵列的名义转向范围为：侧向（x）±12.5 mm，仰角（y）−20~+10 mm，轴向（z）40~60 mm（坐标原点位于阵列几何中心前方50 mm处）。但考虑到热安全（颅骨热指数TIC<3）及栅瓣抑制（次级波瓣压力不超过主瓣50%），实际安全转向体积缩小为：侧向1.8 cm、仰角2.5 cm、轴向2 cm，中心位于皮肤下5 cm处。

双模式定位：机械滑动 + 电子转向

仅靠电子转向无法覆盖整个前额叶区域，因此系统设计了机械滑动 + 电子转向的双模式定位：

机械滑动：换能器可在头架上横向移动±2 cm，将整个电子转向体积平移至不同横向区间。

电子转向：在每个机械位置上，电子转向在1.8 cm×2.5 cm×2 cm范围内精细调整焦点。

二者叠加后，系统可覆盖侧向约6.5 cm、深度40–60 mm的连续区域，足以抵达大部分前额叶皮层靶点（如背外侧、腹内侧、前扣带回等）。图4显示了20名参与者的个体化靶点在安全转向体积内的分布，全部位于TIC<2.5的安全区域。

图4 – 基于TIC的安全转向体积

图4背景色阶图显示了在阶段1.3最激进参数（PNP=820 kPa）下，不同转向位置对应的颅骨热指数（TIC）。白色圆圈标记了20名参与者实际靶点在转向体积内的分布。所有靶点均位于TIC<2.5的区域（远低于安全限值3.0），表明系统能在足够大的范围内安全转向。

虚拟配准：个体化避开鼻窦

在研究中发现，部分参与者的额窦或筛窦会遮挡超声路径。为此，团队事后开发了“虚拟配准”算法：利用MRI数据，对121个候选换能器放置位置逐一模拟从每个阵元到靶点的声线，检测是否经过窦腔（空气会完全阻挡超声）。然后选出既能满足转向范围要求、又使被遮挡阵元数最少的优化位置。如图5所示，绿色点为无遮挡的入射点，红色点为被窦腔阻挡的点，黄色半透明为分割出的窦腔。

图5中黄色半透明区域为分割出的鼻窦腔，青色圆点为靶点，绿色点为无阻塞的阵元入射点，红色点为被窦腔阻挡的入射点。通过该可视化，操作者可选择最优换能器放置位置（尽可能多绿色点）。图5展示了虚拟配准算法的输出，用于前瞻性指导探头摆放。

应用该虚拟配准后，19名可分析参与者中，仅1人因窦腔过大导致>30%阵元无法避免遮挡，其余均可通过优化放置实现无遮挡或<20%遮挡。该技术将集成到未来研究中，进一步提高递送效率。

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经颅低强度聚焦超声系统硬件详解

系统总体框架

整套系统包含四大硬件/软件组件（如图6框图）：

图6 – 系统组件框图

图6展示了Openwater低强度聚焦超声神经调控系统的四大核心组件：可穿戴头戴设备（含超声矩阵阵列）、光学神经导航系统（用于配准MRI与换能器）、神经调控规划软件（用于波束成形与仿真）以及超声驱动电子设备（Verasonics平台）。图6中清晰标明了各组件之间的数据与控制流向，为理解系统整体架构提供了顶层视图。

可穿戴头戴装置（含换能器、头架、耦合垫）

光学神经导航系统（Localite，含立体相机及反光球）

超声驱动电子系统（Verasonics Vantage平台）

控制与规划软件（MATLAB开发）

图7展示了实际设备照片：移动推车上放置了计算机、驱动电子机箱、直流电源、换能器连接器，以及用于神经导航的立体相机（安装在可升降立柱上）。

图7 – 系统硬件实物照片

图7显示了安装在移动推车上的完整系统硬件，包括显示器、计算机主机、Verasonics驱动电子机箱、直流电源、换能器连接接口以及用于神经导航的立体相机（安装在可升降立柱上）。图2 直观呈现了系统的实际物理布局，展示了其便携性与集成度。

超声换能器阵列

类型：二维矩阵阵列，11行×12列，但四个角上的阵元未连接，实际使用128个有效阵元。

中心频率：400 kHz。

几何聚焦：水平方向具有50 mm曲率半径的圆柱面聚焦，垂直方向无几何聚焦（依赖电子转向）。

阵元尺寸：方形，边长4.1 mm（间距），总面积约21.5 cm²。

匹配网络：在换能器PCB上为每个阵元串联电感，以抵消400 kHz时的容性阻抗，提高功率传输效率。

连接：通过2米长屏蔽线缆及260针Cannon ZIF连接器接至驱动电子系统。

驱动电子系统：Verasonics Vantage平台

Verasonics Vantage 128 HIFU版是系统的发射与控制核心，其关键特性如下：

特性	规格
通道数	128 发射/接收
输出电压	2~190 Vpp（峰峰值）
延时精度	4纳秒（250 MHz时钟）
波形	三电平双极性方波
外部电源	1200 W DC电源（两路并联）
软件接口	MATLAB + C/C++ MEX

发射路径：每通道独立可编程脉冲发生器，支持延时（4 ns步长）、脉冲宽度、极性、切趾等参数。HIFU选项允许毫秒级长脉冲（脉冲长度50–100 ms），且通过外置大功率电源实现高达820 kPa的峰值负压。

接收与监测：虽然本研究主要使用发射功能，但Vantage也支持14位、62.5 MHz采样率的回波采集，为未来像差校正或温度监测提供可能。换能器上的热敏电阻通过辅助通道接入，实时反馈温度。

软件控制：MATLAB脚本负责波束成形计算（基于k‑wave仿真，如图8。软件界面主要分为左右两大区域：左侧区域：显示参与者的MRI解剖图像，并在此基础上叠加换能器模型、靶点标记、模拟声场（压力或强度等值线）。该区域用于可视化验证换能器与靶点的空间关系，以及超声束的预期分布。右侧区域：是一个多标签或可滚动的控制面板（Plan Panel），包含治疗协议的参数设置、当前解决方案的统计分析（如峰值负压、机械指数、热指数、束宽等），以及启动/中止超声递送的控件）、安全参数校验（MI、TIC、ISPTA）、电压缩放及时序配置。计算出的延时和电压通过PCIe总线下载至硬件定序器，然后独立运行，保证实时性。

图8 规划软件截图

图8所展示的规划软件界面分为左右两区：左侧显示参与者的MRI三视图，并叠加换能器模型、靶点标记以及模拟声场的等值线（-3 dB、-6 dB等）；右侧为控制面板，包含治疗参数设置（频率、脉冲长度、目标压力等）、波束成形选项、仿真结果（PNP、MI、TIC、束宽）以及启动/中止控件。该界面是操作者进行个体化规划与监控的中枢。

神经导航与配准

Localite光学导航系统通过立体相机追踪头架和换能器上的反光球（换能器上有三个已知几何关系的反光球，头架上另有一组）。相机精度为0.35 mm RMS。操作流程如下：

获取参与者的T1及PETRA MRI（用于分割颅骨和窦腔）。

在Localite软件中将MRI与参与者头部解剖标志（鼻尖、耳屏等）配准。

将换能器注册到导航系统中（通过专用校准工具）。

操作者将换能器大致放置在额头，软件实时计算当前转向需求及被遮挡阵元数。

这一流程使得粗定位只需“大致瞄准”，因为后续电子转向可补偿数毫米的偏差。

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临床研究

研究方法

参与者：20名健康右利手成年人（16女，4男），平均年龄23.6岁。入组标准包括有一定程度的重复性负性思维（PTQ评分高于25百分位），但排除任何精神或神经疾病史、头部金属植入物、MRI禁忌症等。

靶点：左侧前内侧前额叶皮层（amPFC，MNI坐标约−5,45,−35 mm），该区域是默认模式网络的核心节点，与自我参照思维及抑郁症的过度连接有关。

超声参数：采用阶梯式递增方案以确保安全：

阶段1.1（9人）：单焦点，PNP=510 kPa，ISPTA=201 mW/cm²，MI=0.8。

阶段1.2（6人）：多焦点（径向五点交叠脉冲，如图9C、9D），PNP=650 kPa，ISPTA=327 mW/cm²，MI=1.03。

图9 – 单焦点与多焦点声场模式

图9A、图9B为单焦点模式在侧向-仰角平面上的压力场（A）和强度场（B）等值线图（-12、-6、-3 dB），显示典型“雪茄形”焦斑。图9C、D为阶段1.2和1.3中使用的径向五点交叠多焦点模式，五个焦点呈十字形分布，间距5 mm，用以扩大有效调控区域而不增加单点ISPTA。

阶段1.3（5人）：同上多焦点，PNP=820 kPa，ISPTA=508 mW/cm²，MI=1.3。

所有阶段均采用脉冲串：脉冲宽度50 ms，脉冲重复间隔100 ms（阶段1.1）或根据多焦点轮换调整（图10）。总超声暴露时间10分钟。

图10 – 脉冲序列对比

图10左为阶段1.1的单焦点脉冲序列：每个脉冲串持续30秒，随后30秒关闭，循环交替。图10右为阶段1.2/1.3的多焦点交叠脉冲序列：五个焦点按顺序循环发射，每个焦点脉冲长度50 ms，脉冲重复间隔延长，从而在无强制关断的情况下连续递送10分钟，实现空间平均能量分布。

安全评估：

主观：递送前后询问不适感，并采用0–10分问卷评估刺痛、发热、振动、疼痛等感觉。

影像学：递送后约30分钟行磁敏感加权成像（SWI），由两名神经放射科医生盲法读片，检测有无微出血。

生理：换能器表面温度监测。

研究结果

可穿戴性与可转向性：

所有20名参与者的amPFC均位于系统安全转向体积内（图4），侧向位置平均−0.9±2.6 mm，仰角−3.5±5.8 mm，轴向50.5±3.7 mm。

操作者报告头架佩戴简单，界面引导有效；虚拟配准事后分析显示，通过优化放置可避免大部分窦腔遮挡。

安全性：

无严重不良事件。无参与者提前退出。

SWI影像：所有20例扫描均判读为正常，未见任何微出血征象。

主观感觉：如下表所示，各项感觉的中位数均为0（无感觉），最大评分分别为：发热5分（1人）、振动/脉冲8分（但仅1人）、声音9分（但可能源于系统噪声而非不适）。疼痛最高仅2分，且归因于头架压力而非超声本身。

感觉	最大评分	中位数	均值
瘙痒	4	0	0.4
发热/灼烧	5	0	0.6
刺痛	8	0	2.6
振动/脉冲	8	0	2.1
声音	9	0	2.15
紧张	8	0	1.6
疼痛	2	0	0.25

热安全：换能器表面在10分钟运行时温度仅35–36°C（静止空气测试中20分钟才达42°C）；仿真显示皮肤温升<4.2°C，颅骨表面温升<3°C（图11、12）。

图11 – 模拟使用热测试结果

图11中蓝色和绿色曲线为仿生颅骨表面的温度变化，橙色和红色为皮肤表面的温度变化。在10分钟超声暴露结束时，皮肤表面温升约4.2°C（达25.2°C），骨表面温升低于3°C（低于24°C），均远低于组织损伤阈值，验证了系统在真实耦合条件下的热安全性。

图12 – 静态空气热测试结果

图12蓝色和绿色曲线为换能器表面不同测点的温度变化。在持续20分钟发射（无耦合，无间断）后，表面温度才达到42°C；而本研究的单次最大暴露时间为10分钟，此时温度仅35–36°C。该测试证明即使误在空气中运行，也不会造成危险高温。

递送效率事后分析：

通过分割MRI并重新仿真（如图13、14），发现由于颅骨的衰减和像差，实际到达靶点的峰值负压仅为设定值的58±19%（图15）。

图13 – 有利颅骨几何的再仿真示例

图13中展示了某位参与者的MRI分割结果（皮肤、颅骨、脑组织）以及基于实际发射参数（含颅骨）的再仿真声场。左侧为侧向-仰角平面，右侧为轴向-侧向平面。该参与者的颅骨较薄且鼻窦较小，声束经颅后仍保持良好聚焦，焦点偏移较小。

图14 – 不利颅骨几何的再仿真示例

图14参与者的额窦较大且位置居中，导致声束路径被部分遮挡。再仿真显示焦点严重畸变、峰值压力显著降低，且焦点向换能器方向偏移约10 mm。图14揭示了颅骨和窦腔个体差异对递送效率的显著影响。

图15 – 有/无颅骨时峰值负压对比

图15比较了全部20名参与者在忽略颅骨（目标压力）与实际考虑颅骨（经颅衰减后）两种情况下模拟得到的焦点峰值负压。有颅骨时实际压力平均仅为目标值的58±19%，且个体差异大（最低仅17%）。该结果量化了颅骨衰减导致的能量损失，并强调了像差校正的必要性。

焦点位置平均向换能器方向偏移8.1±2.3 mm（轴向），但侧向偏移仅1.3±0.9 mm，仍远小于焦斑尺寸（侧向束宽约4–8 mm，轴向束宽约23–25 mm）。因此，尽管能量有损失，但靶区覆盖仍可接受。

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总结

本研究成功设计、构建并临床验证了一套可穿戴、可电子转向的经颅低强度聚焦超声系统。其核心创新与结论如下：

可穿戴设计：3D打印头架+128阵元矩阵换能器，总重2.5磅，配合楔形耦合垫，实现了前额舒适、稳定的佩戴，10分钟递送耐受性良好。

可转向能力：通过128通道独立延时控制，实现焦点在1.8 cm×2.5 cm×2 cm体积内电子移动；结合机械滑动（±2 cm），总侧向覆盖约6.5 cm，深度40–60 mm，足以覆盖前额叶主要皮层靶点。

硬件集成：Verasonics Vantage HIFU平台提供190 Vpp、4 ns延时精度的128通道驱动，MATLAB软件实现个体化波束成形与安全校验；光学神经导航实现亚毫米级配准。

临床安全：20名健康志愿者中无不良事件，SWI无微出血，主观不适轻微，热指标远低于安全限值。阶梯式递增方案验证了最高820 kPa（PNP）的安全性。

局限与改进方向：颅骨衰减导致实际递送压力仅为目标的58%，且焦点向探头方向偏移约8 mm；部分参与者存在窦腔遮挡。未来需开发像差校正算法（通过调整各阵元延时和幅度补偿颅骨影响），并将“虚拟配准”前瞻性地用于指导探头放置，以提高递送效率和靶点精度。

综上，该系统为前额叶靶点的神经调控研究提供了安全、可穿戴、灵活转向的可靠工具，为后续在抑郁症等临床人群中的应用奠定了坚实基础。

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