摘要：Kaovasia, T.P., Duclos, S., Gupta, D.et al.A prE-clinical MRI-guided all-in-one focused ultrasound system for murine brain studies

Kaovasia, T.P., Duclos, S., Gupta, D. et al.A prE-clinical MRI-guided all-in-one focused ultrasound system for murine brain studies.Sci Rep15, 144 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-024-84078-9

本文介绍了首个针对小鼠大脑的一体化经颅聚焦超声（FUS）系统，能执行机械消融、热疗、血脑屏障开放（BBBO）、声动力疗法和神经调节。1.5 MHz 超声换能器配定制电子驱动，低占空 (

聚焦超声（FUS）是一种非侵入性治疗技术，用于治疗多种脑部疾病，包括脑肿瘤、中风、特发性震颤、帕金森病和阿尔茨海默病。FUS能通过热消融、组组织摧毁、血脑屏障开放（BBBO）、热疗、声动力疗法和免疫调节等多种方式产生治疗效果。目前的治疗系统通常针对单一FUS模式优化。InSightec ExAblate®系统使用650 kHz超声波阵列，已获FDA批准用于特发性震颤和帕金森震颤的中脑热消融，但颅骨过热限制了其治疗范围。临床试验中正在测试220 kHz超声阵列与ExAblate®系统结合使用以打开BBB并进行神经调节。然而，这两种频率的超声阵列均无法进行机械消融。组织摧毁利用空化作用机械破坏目标组织，可能通过低占空比减轻颅骨发热，从而治疗更广泛的大脑区域。

一体化经颅FUS系统能在小鼠大脑产生多种治疗效果，是FUS脑研究的使能技术。该系统使用单一FUS传感器和驱动电子设备，专为小鼠设计，与MR兼容并具备立体定向基准功能。这种系统能测试不同FUS模式组合，对治疗脑部病变至关重要，如先用组织解剖缩小肿瘤中心，再用声动力疗法治疗边缘。统一设备进行不同模式研究可加强比较分析。

组织解剖所需的参数和仪器与其他方式显着不同。组织摧毁使用微秒长度、低占空比 ( 26 MPa) 超声脉冲，而热疗则使用连续波 (CW)、较低强度超声（100–300 W/厘米2 ) 。BBBO、声动力疗法和神经调节需低/中占空比脉冲。设计集多功能于一体的FUS系统挑战大，需电子驱动器产生高瞬态电压、低平均功率，保持高电效率以持续输出超声波，避免过热。

在本文中，一体式 FUS 小鼠大脑系统由“推拉”电子驱动器启用，该驱动器能够产生任何持续时间的突发音调，范围从峰值的极短脉冲（几个周期）组织解剖所需的峰值电压为 1 kV，或降低电压的连续波 (CW)。使用我们实验室开发的快速原型方法设计和制造了小鼠经颅脑 FUS 传感器39。这种一体化系统可以使用低强度连续波超声或长超声脉冲进行组织解剖和其他 FUS 模式。

该多合一系统设计为与 MRI 兼容，并安装在 7 特斯拉小动物 MRI 系统的 80 毫米成像线圈内，可在热疗治疗期间进行 MR 引导和监测40。该系统还包含立体定向功能，以实现立体定向靶向。例如，组织解剖、BBBO、声动力疗法和神经调节可以在 MRI 扫描仪之外使用立体定向联合配准与治疗前 MR 图像进行。双引导功能提供了最大的灵活性，可以最大限度地减少 MRI 扫描仪的时间和研究成本，并提高受试者治疗的吞吐量。本文报告了这种一体式 FUS 系统的设计、制造和声学特性，及其在小鼠幼稚大脑中进行的组织解剖、BBBO 和热疗治疗的测试。选择这三种模式是因为它们涵盖了不同 FUS 模式的参数范围（就所需的占空比和电压而言）。

方法

系统设计和制造

传感器设计和制造

该治疗传感器专为体内临床前研究而设计鼠脑。更高的工作频率可以实现更小的聚焦区域和更精确的瞄准。然而，通过小鼠头骨的衰减随着频率的增加而增加。因此，选择 1.5 MHz 的谐振频率作为折衷点。该传感器由五个直径为 20 毫米的扁平元件组成，这些元件以 25 毫米的距离共焦排列。每个元件均使用 3D 打印镜头单独聚焦，有效总光圈数为 0.61。该传感器的有效孔径直径为 41 mm，工作距离为 3 mm。这使得换能器足够小，可以安装在专为 7 特斯拉小动物 MRI 系统（安捷伦（瓦里安公司，加利福尼亚州保阿尔托））的 80 毫米成像线圈设计的插入件内。从换能器估计的焦点压力预计有足够的余量用于所有 FUS 模式。为了便于制造并最大限度地减少对准误差，每个元件的聚焦透镜都集成到一个组合支架中。

带有集成透镜的换能器结构是使用 Somos PerFORM 3D 打印的，元件是硬质多孔陶瓷 PZT（PZ36，CTS，Kvistgård，丹麦）（图 1）。为了将每个元件粘合到支架内的透镜上，使用了一层薄薄的环氧树脂（LOCTITE®，E-120HP（Hysol）），并且元件有空气支撑以最大化压力输出（由于没有声学反向传播）。3D 打印盖用于使每个元件防水。换能器的支架中装有用于针式水听器的四个共焦定向端口，以便在治疗期间收集声发射。这包括组织解剖过程中的气泡成核和塌陷发射信号，以及 BBBO 过程中稳定微泡振荡引起的次谐波频率信号。

图1

换能器前视图的分解横截面图（左）、3D 打印支架的顶视图照片（右）。

为了允许 MRI 引导，传感器被设计为与 MRI 兼容。换能器元件由锆钛酸铅 (PZT) 组成，其电极由银制成。PZT 的焊点和电线由有色金属材料制成。除了整个支架之外，MRI 插入件、动物治疗支架和平台也是使用 Formlabs（美国马萨诸塞州萨默维尔）制造的 MRI 安全树脂 3D 打印的。

支撑结构

对于使用立体定向共同配准在 MRI 扫描仪之外进行的动物实验，使用了先前开发的支撑结构设计31。其中包括一个带有耳杆的 3D 打印治疗床，用于牢固地安装鼠标头和两个 MR 基准点（图 2）一个）。将治疗床放置在 MRI 扫描仪中以获取治疗前图像，然后从扫描仪中取出并牢固地安装在固定到水箱（Envisionary Acrylics，波尔克乡村，俄勒冈州）的平台上，水箱包含换能器和脱气的去离子水。该平台有四个孔，对应于传感器上的四个可拆卸销钉，用于将传感器与治疗床上的基准点共同配准。该传感器牢固地连接到一个 3 轴定位系统（Anaheim Automation，阿纳海姆，加利福尼亚州），该系统用于在进行基于图像的计算后机械地将其引导到治疗坐标。

图2

支撑结构的 CAD 设计用于：基于 MRI 的立体定向联合配准在 MRI 扫描仪之外进行的经颅治疗 ( A )；在 MRI 扫描仪内进行经颅治疗的平台 ( B )。

为验证体温过高，开发了一种 MRI 插入件，用于同时进行超声处理和 MR 测温（图 2b）。该插入件设计有换能器支架，确保焦点位于 7T 扫描仪的等中心。两种治疗共用同一小鼠治疗床，通过微型平台精确瞄准小鼠大脑皮层。

驱动器设计

该传感器由内部定制的驱动电子设备驱动。使用 5 通道电子驱动器单独驱动传感器的每个元件，同时对这些元件施加脉冲。图 3显示了单通道的简化原理图，其中传感器由半导体开关 Q1 和 Q2 驱动，这些开关以“推挽”配置运行，并带有匹配电感器以生成正弦波输出41。开关以与传感器谐振频率 (1.5 MHz) 匹配的频率打开和关闭，并由现场可编程门阵列 (FPGA) 控制。根据其操作模式，同一驱动器能够产生任何持续时间的突发音调，范围从组织解剖所需的 1 kV 峰峰值激励电压下的极短脉冲（几个周期）或连续波(CW) 在 20 V 的降低电压下进行热疗。通过改变电压源+Vdrive（来自图3 ）来调整传感器的激励电压 。对于组织解剖，使用 3 周期脉冲使驱动器达到最大相应的激励电压。驱动器组件的选择是为了最大限度地减少射频噪声并最大限度地提高连续波效率和系统输出。

图3

电子驱动器单通道示意图。一对 SiC 晶体管通过 LC 阻抗匹配电路交替向传感器提供源电流和灌电流。

声学特性

使用HFO-690光纤水听器进行FF测试，测量换能器聚焦区尺寸。通过3轴电机系统光栅扫描压力场，横向平面测量2×2mm视场，轴向平面测量3×3mm视场，分辨率均为0.1mm。同时测量压力-时间波形、峰值压力和Ispta，选择FUS的组织解剖、热疗和BBBO三个应用进行测试，覆盖参数空间。

驱动器以 5 Hz（2.5% 占空比）的脉冲重复频率 (PRF) 进行 7500 周期（5 ms）突发脉冲，以校准 BBBO 模式，并以 33.3 PRF 进行 23 周期（15 µs）脉冲kHz（50% 占空比）用于热疗模式。缩写内容：电压逐步提升，全面测量传感器压力，并向五元件发送脉冲。增加至设备过热、压力下降或电流限制。热疗模式采用50%占空比，以减少小鼠颅骨内驻波的脱靶效应。

使用10 Hz（0.002%占空比）的3周期PRF脉冲对驱动器进行组织解剖模式校准。在低于空化阈值时，测量整个传感器的焦点压力；超过阈值后，分别测量焦点处五个元件的压力并求和。这种方法用于避免高于空化阈值42的脉冲对水听器尖端造成空化损伤。

为了估算原位压力，我们通过切除小鼠头骨的衰减来测量。具体方法是，在低于空化阈值的组织解剖模式下发射换能器，先在自由场中测量焦点压力，然后通过切除的小鼠头骨进行测量。

体内治疗

本研究在两只幼鼠大脑中进行了三种FUS模式（组织解剖、BBBO和热疗）的实验，这些模式覆盖了整个FUS参数空间，并涉及MRI扫描仪内外的治疗。所有动物实验均遵循密歇根大学IACUC批准的方案和ARRIVE指南。1. 组织解剖（n=2）：C57BL/6小鼠经异氟烷和氧气麻醉后，头部固定并进行MRI扫描。使用特定FUS参数在额叶皮层创建单点损伤。MRI采用快速旋转回波序列获取T2加权图像。2. BBBO（n=2）：清醒的小鼠被约束并进行尾静脉导管插入，用于微泡注射。麻醉后，按照组织解剖流程进行配准和目标选择。微泡制备后，通过尾静脉注射并在特定FUS参数下进行治疗。MRI扫描采用T2加权和T1加权图像观察治疗效果。3. 高热治疗：与组织解剖相似，小鼠经异氟烷和氧气麻醉后头部固定，并在脱气水浴中进行治疗。治疗结束后，使用过量二氧化碳对小鼠进行安乐死，并检查颅骨和硬脑膜损伤。所有实验均在严格控制的条件下进行，以确保动物福利和实验结果的准确性。

FUS 和 MRI 扫描：小鼠皮质设为靶点。先获取解剖 MR 图像，采用快速旋转回波 T2 加权轴向图像，视野 96×69 mm，切片厚 1 mm，矩阵 192×96，TR 2000 ms，TE 7.52 ms。采集 MR 测温图像以可视化加热和测量温度变化。使用梯度回波图像，TR 200 ms，TE 6 ms，切片厚 1 mm，分辨率 0.6×0.7 mm。相位图像相减以计算温度变化，并校正温度漂移后进行零填充插值。超声处理中应用占空比为50%的15 µs脉冲，I spta为110 W/cm²，治疗持续2分钟。

结果

制造系统和处理装置

传感器以及电子驱动器和支撑结构均在内部成功制造和组装。图 4a显示了带有电子驱动器的制造传感器。图 4b显示了使用基于 MRI 的立体定向联合配准进行组织解剖和 BBBO 研究的体内设置。将治疗床上的小鼠仰卧在包含超声换能器的水箱上。超声换能器牢固地连接到 3 轴定位器。MATLAB 脚本用于将治疗床上的基准点与传感器共同配准、选择目标点并启动传感器。

制造的换能器及其电子驱动器 ( a)、使用基于 MRI 的立体定向引导进行组织解剖的体内设置、MRI 扫描仪之外的 BBBO 治疗 (b)、使用 MRI 引导的治疗和热疗监测的体内设置 ( c).

图 4c显示了放置在 MRI 插入物上进行热疗研究的小鼠。MRI 插入件包含放置在水浴中的传感器，用于与小鼠头部进行声耦合。MRI 插入件位于 80 毫米成像线圈旁边，该线圈又放置在 7 特斯拉小动物 MRI 扫描仪的孔内。

声学特性

光纤水听器测得的All-in-One FUS传感器归一化二维压力场图如图5。转换坐标对应x轴声传播方向及垂直的y、z轴。yz为冠状面，xy为轴向面。焦点区域FWHM为2×0.6×0.8 mm (x, y, z)。图5显示传感器横向和轴向场图。图6a、b显示负峰值(P-)和正峰值(P+)压力随电压源(Vdrive)增加而增加，3周期组织解剖脉冲下最大自由场焦点P-为85 MPa。图6c、d、e分别代表组织解剖、热疗和BBBO的压力-时间波形。BBBO需5 ms超声波爆发，最大压力5.5 MPa；稳定打开BBB需小于1 MPa压力。热疗模式下最大P-为4.5 MPa，对应251 W/cm²的Ispta。驱动器不热，15分钟测试期间传感器压力输出稳定。小鼠头骨衰减测量为35%，换能器声学余量足够：组织解剖学56 MPa、BBBO 4 MPa和原位热疗3 MPa。

传感器的自由场横向（左）和轴向（右）场图。

3 周期组织解剖脉冲传感器的压力-电压曲线，直接测量的压力值用“o”表示，总压力值用“*”表示（a，b）。组织解剖 (c)、热疗 (d) 和 BBBO (e)的代表性压力-时间波形。

体内治疗组织解剖学在幼鼠大脑成功产生损伤，MR图像显示低信号区域。病变大小分别为0.82×0.88×1mm和0.76×0.93×1mm，瞄准误差为0×0.2×0.11mm和-0.51×0.21×0.4mm。图7显示组织解剖病变和声空化发射信号，证实惯性空化生成，气泡寿命为74.9±8.1µs。BBB开口（BBBO）成功实现，T1w Gd增强图像显示焦点增强区域，目标误差分别为-1.38×-1.34×0mm和-0.78×0.17×0mm。T2*图像未见出血/水肿。声空化发射信号频域中宽带响应的缺失和谐波的存在与循环微泡的稳定空化一致。高热观察到局部加热区，温度升高分别为2.6°C和3.2°C。测温图像中的面内空间本底噪声分别为0.124°C和0.09°C。头骨表面靠近目标位置也观察到加热。大体解剖未见过多热能传递造成的损伤迹象。图9显示MR测温图像和小鼠大脑目标位置的演变。缩写后内容：体内治疗在幼鼠大脑成功产生低信号损伤区域，大小约0.8-0.9mm³，瞄准误差微小。声空化发射信号证实惯性空化生成，气泡寿命约75µs。BBBO成功，T1w Gd增强图像显示焦点增强区域，无出血/水肿迹象。局部加热区温度升高2.6-3.2°C，头骨表面也观察到加热，但无损伤迹象。

代表性的组织解剖病变，在 T2-w 矢状 MR 图像中视为低信号区域（蓝色箭头）（a），并且水听器声学接收信号在显示与气泡成核和随后破裂相对应的信号的时间（b）和频域中的宽带信号有利于惯性空化 (c)。

T1 加权 Gd 增强图像显示对应于两个目标位置的 BBBO 的两个焦点区域（蓝色箭头）（a），T2* 图像显示没有出血/水肿的低信号区域（蓝色箭头）（b），水听器信号显示稳定空化 (c)。

显示扫描仪内部整个设置的解剖 T2w MR 图像 ( a)。小鼠大脑的目标位置（蓝色箭头）如 T2w 图像所示。MR 测温（梯度回波）图像在超声波打开时 (t = 96 秒)、加热达到峰值时 (t = 192 秒) 以及超声波关闭后 1 分钟 (t = 249.6 秒) ）。

讨论

本文展示了一个由5个元件和电子驱动器组成的FUS换能器，能产生千伏特微秒脉冲和CW/长超声脉冲，用于组织解剖、热疗和BBBO。该系统可通过MRI或立体定向引导，已在小鼠大脑中验证。预计也能执行神经调节或声动力疗法。对于如多形性胶质母细胞瘤等脑肿瘤，该系统有助于探索组合治疗方法，改善预后。需进一步验证FUS神经调节的体内效果。

系统未设计用于热消融FUS模式，因组织吸热限制其治疗体积，尤其在治疗高血管化脑肿瘤时。热消融风险高，不适用于头骨附近结构，且对设备造成热应力。声发射信号可用于监测组织解剖学和预测治疗效果。针式水听器能检测微泡空化现象，适用于BBBO、声动力疗法或神经调节等FUS模式。

换能器采用3D打印树脂PerFORM制造，兼容MRI。图9a显示PZT电极产生场扭曲显著，但未遮挡小鼠大脑和焦点区域，故未校正。

在首次 MRI 引导热疗实验中，我们成功创建了单个焦点加热区。仅需 2 分钟超声波即可使小鼠大脑达到热疗所需温度，远短于临床热疗所需的 10-15 分钟维持在 43°C。因此，临床前研究中的长时间热疗可能需额外措施以减少非目标区域的颅骨加热。使用循环冷却水防止头骨处热量积聚。需3D MRI兼容电动定位器控制焦点，以实现MRI内治疗并利用监测工具，但成本增加。5元件传感器无法像差校正，影响靶向准确性，可通过构建高元件数相控阵解决。

结论

这项研究开发了第一个临床前经颅一体化 FUS 系统，能够在小鼠大脑中进行组织摧毁、热疗、BBBO、声动力疗法和体内神经调节。设计并制造了1.5 MHz、5 元件传感器和“推拉”电子驱动器。该传感器在自由场中进行表征，产生 P- 为 85 MPa 的微秒长度脉冲，以及 Ispta 为 251 W/cm2 的 CW 脉冲（50% 占空比）。小鼠头骨切除后衰减35%，显示系统无需校正即可在小鼠大脑中非侵入性执行模式。该系统可与MRI和立体定向靶向结合，提高灵活性。BBBO在幼鼠大脑中的热疗实验验证了系统执行能力。结果表明，该经颅FUS系统适用于探索小鼠模型中不同脑病理的临床前个体或组合疗法。

来源：医学镜界