变废为宝：基于功能超声（fUS）脑搏动信号实现呼吸、心率实时监测
2025-04-10 来源:本站 点击次数:342
巴黎研究团队开发“physio-fUS”
在依托功能超声（functional ultrasound, fUS）和功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）进行的相关研究中，心率和呼吸频率的精确监测至关重要，但实际操作中面临诸多技术挑战。
近期，来自巴黎的研究团队（由 Iconeus 科技公司和 Physics for Medicine Paris 实验室的科研人员共同组成）在《柳叶刀》子刊《eBiomedicine》（IF2023=9.7）发表了题名为“Physio-fUS: a tissue-motion based method for heart and breathing rate assessment in neurofunctional ultrasound imaging”的文章，创新性地开发了"physio-fUS"方法，通过分析 fUS 信号处理过程中常规被剔除的脑搏动数据，成功实现了啮齿动物和人类研究过程中的心率及呼吸频率高精度监测。
图1：Iconeus 超分辨率定位纤维技术（ULM）数据可视化与分析
传统心率和呼吸监测存在局限性
作为评估应激、疼痛及疾病状态的关键指标，心率和呼吸监测在动物实验和临床手术中不可或缺。然而，在小型动物 fUS 或 fMRI 神经成像研究中，传统监测方法存在显著局限：植入式电极仅适用于麻醉动物，无法用于清醒自由活动个体；无线监测技术虽可部分替代，但成本高昂且操作复杂，加之啮齿动物体型微小，传感器精确定位困难。这些技术瓶颈不仅增加了实验复杂度，更对多源数据同步整合提出了严峻挑战。
创新性突破：fUS“废弃数据”的生理监测价值开发
针对上述技术瓶颈，研究人员开创性地探索了 fUS 中脑搏动数据的二次利用价值。传统 fUS 研究中被视为噪声而滤除的脑搏动信号，实际上蕴含着关键的生理监测信息。他们研发的"physio-fUS"技术通过创新算法，成功实现了呼吸和心跳信号的精准提取。
这项技术的核心突破在于：
1、开发半自动识别算法，精确定位大脑中对心跳和呼吸周期特异的敏感区域
2、 建立持续监测机制，将原始回波信号转化为可量化的生理参数
3、保留完整的 fUS 血流动力学数据的同时，同步获取生理指标
这一发现不仅解决了长期存在的技术难题，更开辟了 fUS 数据利用的新维度。传统处理流程中，这些生理信号往往被当作干扰因素剔除，而新方法则将其转化为有价值的监测指标，实现了"变废为宝"的技术突破。
研究结果
高精度验证physio-fUS与植入电极数据对比
为严格评估physio-fUS技术的准确性，研究团队采用植入式电极作为金标准进行同步验证。对比分析显示：
1、数据一致性：两组数据呈现高度线性相关（R²>0.99）
2、测量精度：小鼠和大鼠的心率、呼吸频率检测误差均<1%
3、时效性：生理参数获取与fUS成像完全同步
值得注意的是，本研究创新性地利用历史数据进行方法学验证，证实该技术可无缝整合至在研项目。更关键的是，physio-fUS实现了生理参数的实时监测，无需额外设备即可完成多模态数据采集，显著提升了实验效率。这一突破为自由活动动物的生理-神经同步研究提供了全新解决方案。
图2：在功能性超声（fUS）神经成像实验中，为实现实时的心率与呼吸率监测，研究团队所设计的数据处理流程
a：先选取一个时长为4秒的窗口（在500 Hz采样率下包含2000帧图像）。
b：根据所获取的数据，计算并标出用于心跳与呼吸监测的敏感区域，并将其映射到小鼠脑图谱上。
c：在这些指定区域内获取组织运动速度信号，用以提取心跳与呼吸所带来的组织活动模式。
d：使用峰值检测算法来确认心率与呼吸频率。
e：最后提出了一个尚未实现的概念性方案：将这一过程整合到Iconeus One的IcoScan软件中，在软件界面同时显示敏感区域内的多普勒信号以及由此实时获取的生理学信号。
图3：fUS 与电极的同步表明其在麻醉啮齿动物中可实现精准且可靠的心率与呼吸频率监测
临床验证：physio-fUS在新生儿监测中的突破性应用
基于动物实验的成功验证，研究团队与巴黎Robert Debré医院合作开展了首期临床研究。该研究采用非侵入式方案，通过前囟门对6名早产儿进行fUS监测，获得以下重要发现：
- 实现了心率信号与fUS数据的完美同步采集
- 与ECG金标准相比，测量偏差仅1%
- 证实了技术在脆弱新生儿群体中的安全性
研究展望与未来方向
基于现有研究成果，physio-fUS技术展现出三大核心价值：
多参数同步：通过单一fUS系统实现生理与神经数据的精确同步
临床适用性：新生儿研究证实其转化医学潜力
机制探索：为揭示生理-神经-血管耦合机制提供新工具
未来研究将聚焦以下方向：
技术优化：提升敏感区域识别稳定性，完善呼吸率检测算法
方法验证：开展更大规模的金标准对照研究
应用拓展：探索在造影增强成像等新模式下的适用性
呼吸、心率实时监测的功能将很快整合进ICONEUS商用系统中。作为行业领先者，ICONEUS始终致力于将前沿科研成果转化为可规模化应用的商用解决方案，让用户能够更安全、便捷、精准地获取数据，从而将更多精力聚焦于科研创新。
参考文献
[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技术的发明者和专利拥有者，同时给全球实验室提供商业化的ULM解决方案，已在全球80+大学、研究所、医院、公司的实验室装机，包括中国在内的近20个用户。礼智生物科技是ICONEUS在中国的独家授权经销商，积累了丰富的fUS及ULM技术的手术、实验和数据分析经验。欢迎联系我们，了解这一技术的更多细节和资料！（联系方式见文末）
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