近年來，由于超快速超聲成像技術的出現，超聲對低速、微弱血流檢測的靈敏度得到較大提升，衍生出功能超聲成像（fUSI）。fUSI是一種嶄新的神經功能成像的方法，利用神經血管耦合可對中樞神經系統（CNS）的功能活動進行高時空分辨率、高靈敏度、動態、無創或微創的檢測。其易用性和便攜性高，填補了功能磁共振成像（fMRI）和光學成像之間的空白，并可與電生理記錄、光遺傳學兼容。本文對fUSI技術發展及其在神經成像領域應用研究進行了綜述，截至目前，fUSI已用于小鼠、非人靈長類等多種動物的腦功能成像，以及臨床術中成像和新生兒的床旁腦功能成像，在神經科學研究中具有較大應用潛力，可望成為神經科學家、病理學家與藥理學家的重要工具。
引用本文： 黃俐杰, 何瓊, 王銳, 魏星月, 謝剛橋, 羅建文. 功能超聲成像技術及其應用研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(5): 1015-1021. doi: 10.7507/1001-5515.202206050 復制
引言
中樞神經系統（central nervous system，CNS）由腦和脊髓組成，是人體神經系統的關鍵組成部分。CNS接受全身各處的傳入信息，經它整合加工后成為協調的運動性信息傳出，或者儲存在CNS內成為學習、記憶的神經基礎。長期以來，神經科學家一直在追求對CNS復雜的組織和相互聯系的可視化探索。對CNS的可視化主要包含結構成像和功能成像兩大類，結構成像是使用常規的計算機斷層掃描成像（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、傳統的B模式超聲成像等手段對CNS的解剖結構進行可視化的技術[1]；而功能成像是對CNS的代謝情況、神經活動情況等進行可視化的技術，這些信息是通過解剖成像無法獲得的，功能成像可以提供在響應某種刺激或功能時CNS如何被激活以及被激活區域等信息，因而在神經科學研究領域具有重要的價值。本文著重探討腦功能成像技術的發展。
腦功能成像主要包括功能MRI（functional MRI，fMRI）技術、正電子發射斷層掃描（position emission tomography，PET）技術、光學成像技術和超聲成像技術等[2]。fMRI原理是通過使用高場MRI系統檢測由順磁性的脫氧血紅蛋白和抗磁性的含氧血紅蛋白含量的變化而引起的磁信號變化，該信號被稱為血氧水平依賴性（blood oxygen level-dependent，BOLD）信號。已有研究證明神經血管耦合的存在[3]，即局部神經的活動與腦血容量（cerebral blood volume，CBV）的變化相關。BOLD信號即是利用神經血管耦合與神經元的激活間接關聯起來。fMRI的優點是無創、無電離輻射、空間分辨率較高，現已廣泛地應用于腦功能研究中，是腦功能成像的金標準。然而，該成像方式的缺點是便攜性差、成本高昂、普及率不高、時間分辨率較低并且靈敏度較差，這些缺點一定程度上限制了其在床旁和實時成像時的應用。
除了利用神經血管耦合進行腦功能成像外，有時還需要對大腦的葡萄糖消耗情況進行成像，從而對大腦的代謝情況進行可視化。PET成像即是利用這一機制，通過注入放射性同位素標記的示蹤劑（如氟代脫氧葡萄糖）來對與大腦代謝相關的葡萄糖消耗進行可視化，以反映與腦功能變化相關的大腦局部代謝情況[4]。PET是一種功能強大且高度敏感的核成像設備，已被用于多種認知疾病的腦功能成像中。由于PET成像所使用的示蹤劑具有放射性，所以該設備在使用時需要專用特殊的屏蔽設施。此外，PET成像的空間分辨率較差，必須與其他成像方式結合（例如CT和MRI）才能進行解剖結構成像，這些都限制了它在臨床的應用。
光學成像是一種具有高時空分辨率的成像方式，成像速度快，且可以在不同尺度上對腦血流的變化進行成像。但是該方法的缺點是，穿透深度淺，僅限于皮質表面較淺區域的成像，無法進行全腦的功能成像。例如，應用于新生兒腦功能成像領域的功能近紅外光譜成像（functionalnear-infrared spectroscopy，fNIRs）即是通過吸收不同波長漫射的近紅外光來測量血液中的氧合水平，可實現床旁連續的腦氧監測，但該技術僅限于具有厘米級空間分辨率的皮層成像，因而難以全面反映全腦的功能變化。
超聲成像由于其無創、性價比高、便攜和實時等優點，多用于大腦的解剖結構成像[5]。經顱多普勒能夠通過顳窗對腦內的大動脈進行血流速度和方向的測量。近年來，隨著超聲成像在時間和空間方向上分辨率的提高，超快速超聲成像技術的出現使得成像的幀頻可以達到上萬赫茲，由此提升了對低速、微弱血流檢測的靈敏度，衍生出功能超聲成像（functional ultrasound imaging，fUSI）[6-8]。fUSI基于神經血管耦合機制，在無造影劑情況下對整個大腦/脊髓的CBV的變化進行可視化成像，進而表征大腦/脊髓神經元的功能活動，目前在臨床前和臨床研究中均取得了較好的成像效果。本文主要針對fUSI在腦功能成像方面的技術及應用進展展開綜述。
1 fUSI技術進展
1.1 能量多普勒成像
傳統的能量多普勒成像（power Doppler imaging，PDI）是一種多普勒成像技術，用于測量成像區域內血細胞的超聲背向散射能量[9]。該成像結果的像素灰度值與像素內的血容量成正比，無法提供血流速度信息。并且，由于傳統的PDI使用的超聲發射模式為聚焦成像，這種成像模式的特點是通過控制不同陣元的延時，在不同掃描線的位置和深度多次進行發射聚焦，由此導致了較低的成像幀頻（約數十赫茲級別）。在低成像幀頻的情況下，傳統PDI使用高通濾波器對具有不同運動速度的血流成分和組織成分進行區分，但在血流和組織的運動速度相當的情況下，二者頻帶發生混雜，此時高通濾波器極易將低速血流信號直接濾除，進而導致這種成像模式無法檢測出具有低速血流的小動脈/小靜脈，這是傳統的PDI靈敏度低的主要原因。而發生與神經活動相關的血流動力學反應的主要是這些小血管，因此傳統的PDI無法通過神經血管耦合提供局部神經功能信息。
1.2 超快速能量多普勒成像
隨著超快速超聲成像技術的產生，超聲發射模式由傳統的聚焦成像轉變為不進行發射聚焦的平面波發射模式，超聲成像的幀頻得到了大幅度提升（約數千赫茲級別），這使得在較短時間內獲得大量超聲數據成為可能[10]。由此，基于超快速超聲成像技術的PDI方法，即超快速PDI（ultrafast PDI，uPDI）則可以使用更為先進的雜波濾波器進行血流信號的提取，例如奇異值分解（singular value decomposition，SVD）濾波器。傳統高通濾波器僅利用時間維度信息進行血流和組織信息的區分，而SVD濾波器充分利用血流和組織在時間和空間維度上信息的區別，因此能更為有效地將組織和隨機噪聲濾除而保留血流信號，極大地提高了對低速、微弱血流檢測的靈敏度。因此，uPDI技術的靈敏度高，可以檢測到更多低速、微弱的血流信息，基于神經血管耦合機制，從而獲得局部的神經功能信息，這奠定了fUSI的基礎[11]。
1.3 功能超聲成像
uPDI結果反映的血容量信息是fUSI的基礎。在時間維度上以一定采樣間隔進行uPDI操作，即可分析出血容量的變化情況，進而可以繪制大腦在某種刺激下的腦激活圖譜，該圖譜顯示了在這種刺激模式下大腦的活動情況[12-13]。此外，還可以通過繪制大腦的功能連接矩陣研究靜息期間不同大腦結構之間的活動相關性，研究方法是對某一大腦功能區對沿時間變化的CBV進行相關性分析，相關系數的大小反映了該功能區對之間連接關系的強弱，這種靜息狀態的連接可以較為可靠地反映大腦狀態[14]。
fUSI能夠同時以出色的空間分辨率（約數百微米級別）、時間分辨率（約數十赫茲級別）和靈敏度（< 1 mm/s）實現大視場（約厘米級別）的功能成像，填補了fMRI和光學成像之間的空白。fUSI操作無創或微創，易用性和便攜性高，相對fMRI的設備來說價格較低，同時與其他成像或者檢測方式具有較高的兼容性，例如可通過植入電極，將fUSI與電生理學結合，對腦功能實現多模態的評估。
2 功能超聲成像應用進展
2.1 功能超聲成像的臨床前應用
fUSI已被用于多種動物的腦功能成像中，本節主要介紹在進行成像前對待成像動物的不同預處理方式和多種類型的臨床前應用研究。
2.1.1 功能超聲成像臨床前應用中的不同預處理方式
在成像過程中，需保證探頭和動物大腦的相對靜止，并且要考慮顱骨對聲波的衰減和畸變效應，因此需要在成像前對動物進行相應的預處理。根據動物在信號采集過程中是否被麻醉可以分為麻醉狀態和清醒狀態下的功能成像。由于顱骨對超聲波的衰減和畸變效應，在手術創傷和成像質量之間存在權衡。根據顱骨處理方式的不同可以分為開顱、磨薄顱骨以及經顱成像[6]。
2.1.2 功能超聲成像臨床前應用研究
從應用角度，臨床前應用的研究主要包含：基于誘發活動的CNS激活圖譜的繪制、腦連接學、生理學和藥理學應用、基于fUSI的腦機接口（brain-computer interfacing，BCI）和其他應用的研究。
（1）基于誘發活動的CNS激活圖譜的繪制
使用不同的刺激對大腦或者脊髓進行相應區域的激活，利用fUSI對整個大腦或者脊髓進行激活圖譜的繪制，可以定位出被激活的區域。刺激模式主要包含感官刺激（例如體感刺激、視覺刺激、聽覺刺激和嗅覺刺激）、行為刺激、電刺激等形式[6]。
2020年，Blaize等[15]將fUSI用于清醒靈長類動物，研究其深部視覺皮層V1、V2和V3中的視網膜拓撲圖和眼優勢小柱分布圖。同年，Brunner等[16]使用體積fUSI（volume fUSI，vfUSI）對視覺刺激下的清醒小鼠進行全腦三維功能成像，結果顯示參與視覺處理的皮層和皮層下區域在刺激過程中均被顯著激活，由于vfUSI使用的是面陣探頭，對全腦進行功能成像的時間比使用線陣探頭快10倍。2021年，Landemard等[17]利用fUSI推進了雪貂聽覺系統的分析，揭示了雪貂與人類聽覺處理系統的差異。除了感官刺激以外，行為刺激也常被用來對動物進行腦激活。行為刺激在此包括睡眠誘發[18]和任務誘發（例如運動任務誘發[19]、視覺任務誘發[20]）。此外，電刺激也是一種進行CNS激活的刺激形式，2019年，Song等[21]在驗證了fUSI對不同電刺激模式下的大鼠和豬的脊髓反應進行成像的可行性，并為未來研究脊髓功能組織和體內脊髓神經調節機制的系統研究鋪平了道路[22]。2021年，Claron等[23]使用fUSI結合超聲定位顯微鏡（ultrasound localization microscopy，ULM）對大鼠脊髓的血管結構進行了精確的描述，研究了不同類別的傳入纖維對自然或電刺激的響應，描繪了典型的血流動力學反應特征，此外還觀察到在炎癥條件下自然觸覺刺激引起的血流動力學反應增強的現象。同年，Nayak等[24]使用fUSI來可視化清醒的大鼠中與丘腦深度腦刺激相關的腦激活，研究了初級運動皮層對不同頻率、電壓、脈沖寬度電刺激的響應程度。
（2）腦連接學
對大腦固有的連接性進行成像是一種無創繪制大腦中動態網絡的有效方法。與靜息態fMRI（resting-state fMRI，rsfMRI）類似，fUSI可以通過研究靜息期間不同大腦結構之間的活動相關性來實現，這種靜息狀態的連接可以較為可靠地反映大腦狀態。已有研究表明，有多種腦部疾病的發生伴隨著大腦靜息狀態功能連接的改變，包括但不限于阿爾茨海默病、孤獨癥、抑郁癥、雙相情感障礙、帕金森病或疼痛[14]。
2014年，Osmanski等[25]首次使用fUSI技術在顱骨磨薄的大鼠中測量了大腦的功能連接矩陣。通過計算不同大腦功能區對之間CBV的相關性，可以創建功能連接矩陣。此外，還使用了無監督方法，如全局空間模式或獨立分量分析，以高空間分辨率解析不同的大腦靜息狀態網絡。2020年，Rahal等[26]對炎癥性疼痛大鼠使用fUSI進行腦功能連接的研究，發現關節炎大鼠的功能連接矩陣相對于正常大鼠發生了改變。該研究將fUSI引入到慢性疼痛模型中動態疼痛連接的研究領域。同年，Ferrier等[27]對清醒小鼠使用fUSI進行腦功能連接研究，證明了任務引起的默認模式網絡（default mode network，DMN）的去激活與去連接。2022年，Grohs-Metz等[28]使用fUSI研究了關聯恐懼網絡相關的區域之間的功能連接，研究證明了該技術具有通過腦血流檢測神經活動的巨大潛力。
（3）生理學和藥理學應用
在藥理學研究領域，2020年，Anfray等[29]使用藥理學和遺傳學方法來干擾組織型纖溶酶原激活劑（tissue plasminogen activator，tPA）依賴的N-甲基-D-天門冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）信號，利用fUSI結合激光散斑流量測量和活體顯微鏡技術，發現血液循環中存在的tPA能夠增強由小鼠體感皮層激活而引起的腦血流量增加，由此為循環tPA在神經血管偶聯中的作用提供了依據。2020年，Vidal等[30]將fUSI技術引入阿茲海默藥物的開發中，通過對麻醉的阿茲海默小鼠模型聯合使用多奈哌齊和甲氟喹藥物后進行fUSI監測，觀察到海馬體的血流動力學效應發生了明顯變化，證明了兩種藥物的協同作用。同年，該組使用fUSI技術評估了阿托西汀（atomoxetine，ATX）（治療注意力缺陷/多動障礙的藥物）對麻醉大鼠的影響，證明了ATX在視覺皮層、齒狀回和丘腦均有改變血流動力學的效應，且ATX作用的時間曲線是劑量依賴性的[31]。同年，Rabut等[32]使用清醒的小鼠對其進行經顱fUSI獲得腦功能連接矩陣，結合使用無監督分類器對腦功能連接矩陣進行評分，從而量化東莨菪堿對清醒小鼠大腦灌注和功能連接的影響。這些研究表明fUSI的使用可以提高對大腦中活性藥物作用機制的理解，并有望成為推動神經系統疾病藥物開發的新手段。
（4）基于功能超聲成像的腦機接口
2021年，Norman等[33]將fUSI引入到BCI領域，打破了目前BCI發展的一個主要限制，即設備需要侵入性的腦部手術來讀取神經活動。該研究使用侵入性比植入電極小得多的fUSI技術以100 μm的分辨率從后頂葉皮層上方的硬腦膜記錄非人靈長類動物大腦深部區域（一個對空間感知、多感覺整合和運動規劃很重要的大腦區域）的信號，然后使用來自運動前延遲期的fUSI信號來解碼動物的預期方向和效應器。研究表明，fUSI可以在幾秒鐘之內預測出非人靈長類動物將要進行的行為（眼球運動或伸展）、運動方向以及它們計劃何時運動。這些結果證明了開發微創、高分辨率BCI的可行性。
（5）其他應用
2022年，Orlacchio等[34]使用fUSI研究了1.8 GHz低水平連續波和全球移動通信系統射頻暴露對麻醉小鼠大腦激活的潛在影響，結果表明fUSI在通信射頻暴露期間可以有效使用，不會受到射頻暴露的干擾。同年，Réaux-Le-Goazigo等[35]結合ULM和fUSI對大鼠的三叉神經節的血管系統進行了功能成像，揭示了包含感覺神經元的區域血管化的特殊特征，這可能是這種強烈血管三叉神經反應的起源，該研究為未來研究三叉神經局部血流和誘發血流動力學反應的潛在機制開辟了道路。
2.2 功能超聲成像的臨床應用
由于人類顱骨較厚，其對超聲波的衰減和畸變作用較強，因此目前fUSI在成年人的應用較為有限，以開顱手術中的成像為主。由于人類新生兒特殊的前囟門（嬰幼兒顱骨結合不緊密形成的顱骨間隙）結構允許超聲波通過，因此fUSI非常適合于新生兒的床旁功能成像。
2.2.1 術中成像
2017年，Imbault等[36]首次將fUSI引入到神經外科手術中，進行了一名患者張嘴任務誘發腦激活的術中fUSI，證明了fUSI能夠在腫瘤切除過程中實現實時皮層功能成像，從而避免切除具有重要功能的結構。此外，對深部的認知區域或運動腦區的精確繪制，有助于指導手術過程中深部腫瘤的切除。2020年，Soloukey等[37]將fUSI用于檢測與撅嘴、手指敲擊和語言處理有關的大腦區域，通過指導患者在術中執行不同形式單詞重復任務下進行fUSI。結果顯示，無聲重復單詞與大聲重復單詞相比，激活圖顯示視野內發現的功能區域較少。這說明發出聲音的過程中，有更多的腦區被激活了，由此可知與發聲相關的腦激活區域的位置。同理，可以獲得實現其他功能的腦區位置，從而避免在腫瘤切除過程中切除重要的功能結構，實現術中腦腫瘤切除的指導。
2.2.2 早產兒/新生兒應用
fUSI無創、安全且可多次重復檢查，而且新生兒前囟門未閉合，非常適合使用fUSI進行床旁成像。2017年，Demene等[38]經前囟門對覺醒及睡眠狀態下的新生兒和癲癇發作期的新生兒進行了床旁fUSI，研究表明該技術能夠區分新生兒不同的睡眠階段并能夠區分癲癇發作期和發作間期的新生兒的腦活動（使用腦電圖測量作為對照）。此外，該技術在對癲癇發作的患兒進行持續fUSI監測中通過追蹤發作間期血管波的變化，可以對癲癇發作的病灶進行定位，揭示了此前未描述的電活動發作后期的皮層活動慢波。2021年，Baranger等[39]對極早產兒使用fUSI對靜息狀態下的腦功能連接性進行了評估，證實了部分腦區之間（如一側半球的額葉和扣帶回、雙側額葉、雙側扣帶回等）的內在功能連接性。研究發現，早產兒的腦部狀態與足月兒明顯不同，相對于早產兒來說，足月兒的丘腦皮層連接性較好。因此，fUSI可能成為床旁評估新生兒腦功能連接性的有力工具。
3 目前的挑戰和發展前景
自2011年fUSI被提出以來[7]，目前已經初具研究規模。但其進一步的發展仍然需要克服諸多關鍵和難點問題，主要包括：①如何擴大fUSI在成年人經顱成像中的適用性；②如何獲得高質量的微血流成像結果；③如何降低長時間信號采集狀態下運動干擾的影響；④將fUSI擴展到高維后，如何進行高質量的高維fUSI。
在對大腦進行fUSI時，待成像對象的顱骨會對超聲信號產生衰減和畸變作用，這極大地限制了fUSI的適用性。在臨床前應用中，fUSI技術正在從開顱成像向經顱成像的趨勢發展。開顱成像可以最大程度地避免顱骨產生的衰減和畸變效應，但這種處理方式不適合進行長期慢性成像。小鼠和幼年大鼠的顱骨較薄，研究人員通過優化成像序列，開發了對小鼠和幼年大鼠的經顱fUSI技術。對于成年大鼠、鳥類可采用顱骨減薄的方式降低顱骨的干擾，此外也可以通過注射超聲造影劑微泡的方式來增強血流信號的強度以進行經顱成像。對于雪貂和非人靈長類等顱骨較厚的動物，經顱成像尚未實現，目前仍以開顱成像為主。在臨床應用中，新生兒的前囟門部位是允許超聲自由透過的聲窗，因此fUSI在新生兒的神經成像領域具有較大的應用前景。在成年人應用中，目前僅已實現了開顱患者的術中fUSI。2021年，Demene等[40]使用超聲造影劑微泡對成人患者進行了經顳窗的ULM成像，這為未來的成年人經顱fUSI奠定了一定的技術基礎，成年人經顱的fUSI是當前該技術在臨床應用中要解決的一個關鍵問題。
fUSI技術的基礎是uPDI技術，在無造影情況下，如何獲得高質量的微血流成像結果是fUSI技術的一個關鍵問題。研究表明微血流通過神經血管耦合與局部神經活動關聯起來，微血流在神經活動期間反映的CBV變化是fUSI關注的重點，對微血流檢測的靈敏度極大地影響著fUSI的成像效果和準確性。而超聲發射方式、波束合成和后續的雜波濾波過程均會影響到對微血流檢測的靈敏度。首先，對平面波進行編碼發射可以有效提高成像信噪比[41]，抑制噪聲的影響，從而提高微血流檢測的靈敏度。其次，目前fUSI最常用的波束合成方法仍為傳統的延時疊加（delay-and-sum，DAS）方法，該方法計算成本低，但對噪聲的抑制效果較為有限。自適應波束合成方法對于抑制噪聲、提高橫向/軸向分辨率方面具有較大的優勢，因此使用高質量、高幀頻的自適應波束合成方法是抑制噪聲、提高后續微血流檢測靈敏度的較為有效且可行的路線。再次，在雜波濾波算法上，相比于傳統PDI技術，基于SVD濾波器的uPDI技術極大地提高了對微血流檢測的靈敏度，使得可以檢測到低速、微弱的血流，但在噪聲強度較高或組織運動較大的情況下，SVD濾波器對微血流的檢測效果仍較為有限。因此，開發更為先進的雜波濾波算法對于提高微血流檢測的靈敏度和fUSI的成像效果具有重要意義[41]。
在施行fUSI過程中，采集時間較長（約數分鐘），為了避免手持探頭和待成像對象引入的運動偽影干擾，需使用專門的探頭架將超聲探頭固定在待成像對象的頭部。除此之外，長時間的信號采集，不可避免地會受到呼吸、心跳等運動的影響，基于SVD的雜波濾波方法可以在一定程度上去除掉組織運動的干擾，但在面對較大的運動時，運動矯正技術是不可缺少的一個環節，運動矯正的效果是影響微血流檢測效果和fUSI準確性的一個重要因素。
fUSI技術配合一維探頭使用，最初僅限于進行單個平面的功能成像（即二維fUSI），由此將腦激活圖譜的繪制和大腦功能連接矩陣的獲取限制在單個平面上。對大腦的神經活動進行三維映射能夠擴展人們對大腦的認知，三維fUSI技術應運而生。在信號采集期間對一維探頭進行機械平移，是最初進行三維fUSI的一種方式，但該方式的缺點是時間分辨率有限，無法提供瞬時體積采集，進而無法跟蹤整個大腦的自發瞬態模式。2019年，Rabut等[2]首次使用二維矩陣探頭（32 × 32陣元）和1 024通道的超聲采集系統對大鼠模型進行了四維fUSI（三維空間+時間）。為了降低對高通道超聲采集系統的需求，也可以通過稀疏矩陣技術，如行—列尋址技術[42]，或使用具有二維矩陣探頭的復用系統[16]。四維fUSI在技術上具有挑戰性，是當前fUSI領域的一個研究熱點和難點，也是未來fUSI技術進一步發展的突破口。目前，四維fUSI分辨率僅限于300 μm3，分辨率和靈敏度與二維fUSI相比還具有較大差距。除了分辨率和靈敏度的問題，四維fUSI過程中不可避免地會產生大量數據，因此對硬件進行數據傳輸的時間也有較高的要求。總而言之，未來四維fUSI技術的突破口在于如何最大程度地平衡采集時間、體積幀率、視野范圍、圖像分辨率和靈敏度等因素，從而實現高分辨率、高靈敏度和高體積幀率的大視野范圍的四維fUSI，并將其轉化到臨床應用中。
在商業化產品方面，目前僅有成熟的商用fUSI系統Iconeus One（Iconeus Inc.，法國），該機器采用先進的多平面波發射技術，高度優化的專用采集硬件也使得該機器可以完成高靈敏度的fUSI操作。該機器使用方便，操作較為簡單，無需用戶自行編程或者具備超聲成像領域專業知識，因此可以供神經科學家進行基礎神經科學研究使用。但由于該設備的軟件是高度集成的，用戶無法對超聲發射序列進行更改，并且該機器也未開放原始數據端口供超聲成像領域研究人員下載原始超聲數據進行后續分析，因此該設備操作的自由度相對較低。且相對于傳統的超聲成像設備來說，Iconeus One（Iconeus Inc.，法國）設備的價格較為昂貴。除此之外，研究人員還可以使用具有超快速超聲成像功能的可編程超聲成像設備，例如：Verasonics Vantage（Verasonics Inc.，美國）、Aixplorer（Supersonic Imagine Inc.，法國），進行原始超聲信號的采集。以上述兩種系統為代表的可編程超聲成像設備在使用上具有較高自由度，研究人員可自行編程控制超聲發射和采集序列，但需要研究人員通過編程親自完成后續的雜波濾波、功能分析等操作，在使用上具有較高的技術門檻，更適合超聲成像領域的研究人員進行使用。
4 總結與展望
上述動物及臨床試驗表明，fUSI技術研究正穩定向前蓬勃發展，目前在成年人和新生兒領域尚處于初步研究階段。fUSI可以廣泛應用于臨床進行腦功能評估，尤其適用于新生兒腦功能研究領域，更為危重癥新生兒的腦氧代謝及神經元活動狀態評估提供了可能性。
在實現方式上，fUSI正在從有創的開顱成像向無創的經顱成像邁進；未來，fUSI還將從二維成像向高維成像邁進，即在整個大腦范圍內繪制腦激活圖譜和功能連接矩陣[43]。在應用方向上，fUSI正在從臨床前應用向臨床應用邁進。本文對fUSI在神經成像領域的發展和應用進行了綜述，fUSI不僅已用于從小鼠到非人靈長類等多種動物的腦功能成像，甚至還用于臨床術中成像和新生兒的床旁腦功能成像。未來，fUSI在神經科學研究中具有較大應用潛力，可望成為神經科學家、病理學家與藥理學家的重要工具。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：黃俐杰負責文獻調研、論文撰寫和修改意見的處理；何瓊、王銳、魏星月負責論文的修改和補充完善；謝剛橋負責修改意見的處理；羅建文為論文的寫作指導并承擔審校工作。
引言
中樞神經系統（central nervous system，CNS）由腦和脊髓組成，是人體神經系統的關鍵組成部分。CNS接受全身各處的傳入信息，經它整合加工后成為協調的運動性信息傳出，或者儲存在CNS內成為學習、記憶的神經基礎。長期以來，神經科學家一直在追求對CNS復雜的組織和相互聯系的可視化探索。對CNS的可視化主要包含結構成像和功能成像兩大類，結構成像是使用常規的計算機斷層掃描成像（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、傳統的B模式超聲成像等手段對CNS的解剖結構進行可視化的技術[1]；而功能成像是對CNS的代謝情況、神經活動情況等進行可視化的技術，這些信息是通過解剖成像無法獲得的，功能成像可以提供在響應某種刺激或功能時CNS如何被激活以及被激活區域等信息，因而在神經科學研究領域具有重要的價值。本文著重探討腦功能成像技術的發展。
腦功能成像主要包括功能MRI（functional MRI，fMRI）技術、正電子發射斷層掃描（position emission tomography，PET）技術、光學成像技術和超聲成像技術等[2]。fMRI原理是通過使用高場MRI系統檢測由順磁性的脫氧血紅蛋白和抗磁性的含氧血紅蛋白含量的變化而引起的磁信號變化，該信號被稱為血氧水平依賴性（blood oxygen level-dependent，BOLD）信號。已有研究證明神經血管耦合的存在[3]，即局部神經的活動與腦血容量（cerebral blood volume，CBV）的變化相關。BOLD信號即是利用神經血管耦合與神經元的激活間接關聯起來。fMRI的優點是無創、無電離輻射、空間分辨率較高，現已廣泛地應用于腦功能研究中，是腦功能成像的金標準。然而，該成像方式的缺點是便攜性差、成本高昂、普及率不高、時間分辨率較低并且靈敏度較差，這些缺點一定程度上限制了其在床旁和實時成像時的應用。
除了利用神經血管耦合進行腦功能成像外，有時還需要對大腦的葡萄糖消耗情況進行成像，從而對大腦的代謝情況進行可視化。PET成像即是利用這一機制，通過注入放射性同位素標記的示蹤劑（如氟代脫氧葡萄糖）來對與大腦代謝相關的葡萄糖消耗進行可視化，以反映與腦功能變化相關的大腦局部代謝情況[4]。PET是一種功能強大且高度敏感的核成像設備，已被用于多種認知疾病的腦功能成像中。由于PET成像所使用的示蹤劑具有放射性，所以該設備在使用時需要專用特殊的屏蔽設施。此外，PET成像的空間分辨率較差，必須與其他成像方式結合（例如CT和MRI）才能進行解剖結構成像，這些都限制了它在臨床的應用。
光學成像是一種具有高時空分辨率的成像方式，成像速度快，且可以在不同尺度上對腦血流的變化進行成像。但是該方法的缺點是，穿透深度淺，僅限于皮質表面較淺區域的成像，無法進行全腦的功能成像。例如，應用于新生兒腦功能成像領域的功能近紅外光譜成像（functionalnear-infrared spectroscopy，fNIRs）即是通過吸收不同波長漫射的近紅外光來測量血液中的氧合水平，可實現床旁連續的腦氧監測，但該技術僅限于具有厘米級空間分辨率的皮層成像，因而難以全面反映全腦的功能變化。
超聲成像由于其無創、性價比高、便攜和實時等優點，多用于大腦的解剖結構成像[5]。經顱多普勒能夠通過顳窗對腦內的大動脈進行血流速度和方向的測量。近年來，隨著超聲成像在時間和空間方向上分辨率的提高，超快速超聲成像技術的出現使得成像的幀頻可以達到上萬赫茲，由此提升了對低速、微弱血流檢測的靈敏度，衍生出功能超聲成像（functional ultrasound imaging，fUSI）[6-8]。fUSI基于神經血管耦合機制，在無造影劑情況下對整個大腦/脊髓的CBV的變化進行可視化成像，進而表征大腦/脊髓神經元的功能活動，目前在臨床前和臨床研究中均取得了較好的成像效果。本文主要針對fUSI在腦功能成像方面的技術及應用進展展開綜述。
1 fUSI技術進展
1.1 能量多普勒成像
傳統的能量多普勒成像（power Doppler imaging，PDI）是一種多普勒成像技術，用于測量成像區域內血細胞的超聲背向散射能量[9]。該成像結果的像素灰度值與像素內的血容量成正比，無法提供血流速度信息。并且，由于傳統的PDI使用的超聲發射模式為聚焦成像，這種成像模式的特點是通過控制不同陣元的延時，在不同掃描線的位置和深度多次進行發射聚焦，由此導致了較低的成像幀頻（約數十赫茲級別）。在低成像幀頻的情況下，傳統PDI使用高通濾波器對具有不同運動速度的血流成分和組織成分進行區分，但在血流和組織的運動速度相當的情況下，二者頻帶發生混雜，此時高通濾波器極易將低速血流信號直接濾除，進而導致這種成像模式無法檢測出具有低速血流的小動脈/小靜脈，這是傳統的PDI靈敏度低的主要原因。而發生與神經活動相關的血流動力學反應的主要是這些小血管，因此傳統的PDI無法通過神經血管耦合提供局部神經功能信息。
1.2 超快速能量多普勒成像
隨著超快速超聲成像技術的產生，超聲發射模式由傳統的聚焦成像轉變為不進行發射聚焦的平面波發射模式，超聲成像的幀頻得到了大幅度提升（約數千赫茲級別），這使得在較短時間內獲得大量超聲數據成為可能[10]。由此，基于超快速超聲成像技術的PDI方法，即超快速PDI（ultrafast PDI，uPDI）則可以使用更為先進的雜波濾波器進行血流信號的提取，例如奇異值分解（singular value decomposition，SVD）濾波器。傳統高通濾波器僅利用時間維度信息進行血流和組織信息的區分，而SVD濾波器充分利用血流和組織在時間和空間維度上信息的區別，因此能更為有效地將組織和隨機噪聲濾除而保留血流信號，極大地提高了對低速、微弱血流檢測的靈敏度。因此，uPDI技術的靈敏度高，可以檢測到更多低速、微弱的血流信息，基于神經血管耦合機制，從而獲得局部的神經功能信息，這奠定了fUSI的基礎[11]。
1.3 功能超聲成像
uPDI結果反映的血容量信息是fUSI的基礎。在時間維度上以一定采樣間隔進行uPDI操作，即可分析出血容量的變化情況，進而可以繪制大腦在某種刺激下的腦激活圖譜，該圖譜顯示了在這種刺激模式下大腦的活動情況[12-13]。此外，還可以通過繪制大腦的功能連接矩陣研究靜息期間不同大腦結構之間的活動相關性，研究方法是對某一大腦功能區對沿時間變化的CBV進行相關性分析，相關系數的大小反映了該功能區對之間連接關系的強弱，這種靜息狀態的連接可以較為可靠地反映大腦狀態[14]。
fUSI能夠同時以出色的空間分辨率（約數百微米級別）、時間分辨率（約數十赫茲級別）和靈敏度（< 1 mm/s）實現大視場（約厘米級別）的功能成像，填補了fMRI和光學成像之間的空白。fUSI操作無創或微創，易用性和便攜性高，相對fMRI的設備來說價格較低，同時與其他成像或者檢測方式具有較高的兼容性，例如可通過植入電極，將fUSI與電生理學結合，對腦功能實現多模態的評估。
2 功能超聲成像應用進展
2.1 功能超聲成像的臨床前應用
fUSI已被用于多種動物的腦功能成像中，本節主要介紹在進行成像前對待成像動物的不同預處理方式和多種類型的臨床前應用研究。
2.1.1 功能超聲成像臨床前應用中的不同預處理方式
在成像過程中，需保證探頭和動物大腦的相對靜止，并且要考慮顱骨對聲波的衰減和畸變效應，因此需要在成像前對動物進行相應的預處理。根據動物在信號采集過程中是否被麻醉可以分為麻醉狀態和清醒狀態下的功能成像。由于顱骨對超聲波的衰減和畸變效應，在手術創傷和成像質量之間存在權衡。根據顱骨處理方式的不同可以分為開顱、磨薄顱骨以及經顱成像[6]。
2.1.2 功能超聲成像臨床前應用研究
從應用角度，臨床前應用的研究主要包含：基于誘發活動的CNS激活圖譜的繪制、腦連接學、生理學和藥理學應用、基于fUSI的腦機接口（brain-computer interfacing，BCI）和其他應用的研究。
（1）基于誘發活動的CNS激活圖譜的繪制
使用不同的刺激對大腦或者脊髓進行相應區域的激活，利用fUSI對整個大腦或者脊髓進行激活圖譜的繪制，可以定位出被激活的區域。刺激模式主要包含感官刺激（例如體感刺激、視覺刺激、聽覺刺激和嗅覺刺激）、行為刺激、電刺激等形式[6]。
2020年，Blaize等[15]將fUSI用于清醒靈長類動物，研究其深部視覺皮層V1、V2和V3中的視網膜拓撲圖和眼優勢小柱分布圖。同年，Brunner等[16]使用體積fUSI（volume fUSI，vfUSI）對視覺刺激下的清醒小鼠進行全腦三維功能成像，結果顯示參與視覺處理的皮層和皮層下區域在刺激過程中均被顯著激活，由于vfUSI使用的是面陣探頭，對全腦進行功能成像的時間比使用線陣探頭快10倍。2021年，Landemard等[17]利用fUSI推進了雪貂聽覺系統的分析，揭示了雪貂與人類聽覺處理系統的差異。除了感官刺激以外，行為刺激也常被用來對動物進行腦激活。行為刺激在此包括睡眠誘發[18]和任務誘發（例如運動任務誘發[19]、視覺任務誘發[20]）。此外，電刺激也是一種進行CNS激活的刺激形式，2019年，Song等[21]在驗證了fUSI對不同電刺激模式下的大鼠和豬的脊髓反應進行成像的可行性，并為未來研究脊髓功能組織和體內脊髓神經調節機制的系統研究鋪平了道路[22]。2021年，Claron等[23]使用fUSI結合超聲定位顯微鏡（ultrasound localization microscopy，ULM）對大鼠脊髓的血管結構進行了精確的描述，研究了不同類別的傳入纖維對自然或電刺激的響應，描繪了典型的血流動力學反應特征，此外還觀察到在炎癥條件下自然觸覺刺激引起的血流動力學反應增強的現象。同年，Nayak等[24]使用fUSI來可視化清醒的大鼠中與丘腦深度腦刺激相關的腦激活，研究了初級運動皮層對不同頻率、電壓、脈沖寬度電刺激的響應程度。
（2）腦連接學
對大腦固有的連接性進行成像是一種無創繪制大腦中動態網絡的有效方法。與靜息態fMRI（resting-state fMRI，rsfMRI）類似，fUSI可以通過研究靜息期間不同大腦結構之間的活動相關性來實現，這種靜息狀態的連接可以較為可靠地反映大腦狀態。已有研究表明，有多種腦部疾病的發生伴隨著大腦靜息狀態功能連接的改變，包括但不限于阿爾茨海默病、孤獨癥、抑郁癥、雙相情感障礙、帕金森病或疼痛[14]。
2014年，Osmanski等[25]首次使用fUSI技術在顱骨磨薄的大鼠中測量了大腦的功能連接矩陣。通過計算不同大腦功能區對之間CBV的相關性，可以創建功能連接矩陣。此外，還使用了無監督方法，如全局空間模式或獨立分量分析，以高空間分辨率解析不同的大腦靜息狀態網絡。2020年，Rahal等[26]對炎癥性疼痛大鼠使用fUSI進行腦功能連接的研究，發現關節炎大鼠的功能連接矩陣相對于正常大鼠發生了改變。該研究將fUSI引入到慢性疼痛模型中動態疼痛連接的研究領域。同年，Ferrier等[27]對清醒小鼠使用fUSI進行腦功能連接研究，證明了任務引起的默認模式網絡（default mode network，DMN）的去激活與去連接。2022年，Grohs-Metz等[28]使用fUSI研究了關聯恐懼網絡相關的區域之間的功能連接，研究證明了該技術具有通過腦血流檢測神經活動的巨大潛力。
（3）生理學和藥理學應用
在藥理學研究領域，2020年，Anfray等[29]使用藥理學和遺傳學方法來干擾組織型纖溶酶原激活劑（tissue plasminogen activator，tPA）依賴的N-甲基-D-天門冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）信號，利用fUSI結合激光散斑流量測量和活體顯微鏡技術，發現血液循環中存在的tPA能夠增強由小鼠體感皮層激活而引起的腦血流量增加，由此為循環tPA在神經血管偶聯中的作用提供了依據。2020年，Vidal等[30]將fUSI技術引入阿茲海默藥物的開發中，通過對麻醉的阿茲海默小鼠模型聯合使用多奈哌齊和甲氟喹藥物后進行fUSI監測，觀察到海馬體的血流動力學效應發生了明顯變化，證明了兩種藥物的協同作用。同年，該組使用fUSI技術評估了阿托西汀（atomoxetine，ATX）（治療注意力缺陷/多動障礙的藥物）對麻醉大鼠的影響，證明了ATX在視覺皮層、齒狀回和丘腦均有改變血流動力學的效應，且ATX作用的時間曲線是劑量依賴性的[31]。同年，Rabut等[32]使用清醒的小鼠對其進行經顱fUSI獲得腦功能連接矩陣，結合使用無監督分類器對腦功能連接矩陣進行評分，從而量化東莨菪堿對清醒小鼠大腦灌注和功能連接的影響。這些研究表明fUSI的使用可以提高對大腦中活性藥物作用機制的理解，并有望成為推動神經系統疾病藥物開發的新手段。
（4）基于功能超聲成像的腦機接口
2021年，Norman等[33]將fUSI引入到BCI領域，打破了目前BCI發展的一個主要限制，即設備需要侵入性的腦部手術來讀取神經活動。該研究使用侵入性比植入電極小得多的fUSI技術以100 μm的分辨率從后頂葉皮層上方的硬腦膜記錄非人靈長類動物大腦深部區域（一個對空間感知、多感覺整合和運動規劃很重要的大腦區域）的信號，然后使用來自運動前延遲期的fUSI信號來解碼動物的預期方向和效應器。研究表明，fUSI可以在幾秒鐘之內預測出非人靈長類動物將要進行的行為（眼球運動或伸展）、運動方向以及它們計劃何時運動。這些結果證明了開發微創、高分辨率BCI的可行性。
（5）其他應用
2022年，Orlacchio等[34]使用fUSI研究了1.8 GHz低水平連續波和全球移動通信系統射頻暴露對麻醉小鼠大腦激活的潛在影響，結果表明fUSI在通信射頻暴露期間可以有效使用，不會受到射頻暴露的干擾。同年，Réaux-Le-Goazigo等[35]結合ULM和fUSI對大鼠的三叉神經節的血管系統進行了功能成像，揭示了包含感覺神經元的區域血管化的特殊特征，這可能是這種強烈血管三叉神經反應的起源，該研究為未來研究三叉神經局部血流和誘發血流動力學反應的潛在機制開辟了道路。
2.2 功能超聲成像的臨床應用
由于人類顱骨較厚，其對超聲波的衰減和畸變作用較強，因此目前fUSI在成年人的應用較為有限，以開顱手術中的成像為主。由于人類新生兒特殊的前囟門（嬰幼兒顱骨結合不緊密形成的顱骨間隙）結構允許超聲波通過，因此fUSI非常適合于新生兒的床旁功能成像。
2.2.1 術中成像
2017年，Imbault等[36]首次將fUSI引入到神經外科手術中，進行了一名患者張嘴任務誘發腦激活的術中fUSI，證明了fUSI能夠在腫瘤切除過程中實現實時皮層功能成像，從而避免切除具有重要功能的結構。此外，對深部的認知區域或運動腦區的精確繪制，有助于指導手術過程中深部腫瘤的切除。2020年，Soloukey等[37]將fUSI用于檢測與撅嘴、手指敲擊和語言處理有關的大腦區域，通過指導患者在術中執行不同形式單詞重復任務下進行fUSI。結果顯示，無聲重復單詞與大聲重復單詞相比，激活圖顯示視野內發現的功能區域較少。這說明發出聲音的過程中，有更多的腦區被激活了，由此可知與發聲相關的腦激活區域的位置。同理，可以獲得實現其他功能的腦區位置，從而避免在腫瘤切除過程中切除重要的功能結構，實現術中腦腫瘤切除的指導。
2.2.2 早產兒/新生兒應用
fUSI無創、安全且可多次重復檢查，而且新生兒前囟門未閉合，非常適合使用fUSI進行床旁成像。2017年，Demene等[38]經前囟門對覺醒及睡眠狀態下的新生兒和癲癇發作期的新生兒進行了床旁fUSI，研究表明該技術能夠區分新生兒不同的睡眠階段并能夠區分癲癇發作期和發作間期的新生兒的腦活動（使用腦電圖測量作為對照）。此外，該技術在對癲癇發作的患兒進行持續fUSI監測中通過追蹤發作間期血管波的變化，可以對癲癇發作的病灶進行定位，揭示了此前未描述的電活動發作后期的皮層活動慢波。2021年，Baranger等[39]對極早產兒使用fUSI對靜息狀態下的腦功能連接性進行了評估，證實了部分腦區之間（如一側半球的額葉和扣帶回、雙側額葉、雙側扣帶回等）的內在功能連接性。研究發現，早產兒的腦部狀態與足月兒明顯不同，相對于早產兒來說，足月兒的丘腦皮層連接性較好。因此，fUSI可能成為床旁評估新生兒腦功能連接性的有力工具。
3 目前的挑戰和發展前景
自2011年fUSI被提出以來[7]，目前已經初具研究規模。但其進一步的發展仍然需要克服諸多關鍵和難點問題，主要包括：①如何擴大fUSI在成年人經顱成像中的適用性；②如何獲得高質量的微血流成像結果；③如何降低長時間信號采集狀態下運動干擾的影響；④將fUSI擴展到高維后，如何進行高質量的高維fUSI。
在對大腦進行fUSI時，待成像對象的顱骨會對超聲信號產生衰減和畸變作用，這極大地限制了fUSI的適用性。在臨床前應用中，fUSI技術正在從開顱成像向經顱成像的趨勢發展。開顱成像可以最大程度地避免顱骨產生的衰減和畸變效應，但這種處理方式不適合進行長期慢性成像。小鼠和幼年大鼠的顱骨較薄，研究人員通過優化成像序列，開發了對小鼠和幼年大鼠的經顱fUSI技術。對于成年大鼠、鳥類可采用顱骨減薄的方式降低顱骨的干擾，此外也可以通過注射超聲造影劑微泡的方式來增強血流信號的強度以進行經顱成像。對于雪貂和非人靈長類等顱骨較厚的動物，經顱成像尚未實現，目前仍以開顱成像為主。在臨床應用中，新生兒的前囟門部位是允許超聲自由透過的聲窗，因此fUSI在新生兒的神經成像領域具有較大的應用前景。在成年人應用中，目前僅已實現了開顱患者的術中fUSI。2021年，Demene等[40]使用超聲造影劑微泡對成人患者進行了經顳窗的ULM成像，這為未來的成年人經顱fUSI奠定了一定的技術基礎，成年人經顱的fUSI是當前該技術在臨床應用中要解決的一個關鍵問題。
fUSI技術的基礎是uPDI技術，在無造影情況下，如何獲得高質量的微血流成像結果是fUSI技術的一個關鍵問題。研究表明微血流通過神經血管耦合與局部神經活動關聯起來，微血流在神經活動期間反映的CBV變化是fUSI關注的重點，對微血流檢測的靈敏度極大地影響著fUSI的成像效果和準確性。而超聲發射方式、波束合成和后續的雜波濾波過程均會影響到對微血流檢測的靈敏度。首先，對平面波進行編碼發射可以有效提高成像信噪比[41]，抑制噪聲的影響，從而提高微血流檢測的靈敏度。其次，目前fUSI最常用的波束合成方法仍為傳統的延時疊加（delay-and-sum，DAS）方法，該方法計算成本低，但對噪聲的抑制效果較為有限。自適應波束合成方法對于抑制噪聲、提高橫向/軸向分辨率方面具有較大的優勢，因此使用高質量、高幀頻的自適應波束合成方法是抑制噪聲、提高后續微血流檢測靈敏度的較為有效且可行的路線。再次，在雜波濾波算法上，相比于傳統PDI技術，基于SVD濾波器的uPDI技術極大地提高了對微血流檢測的靈敏度，使得可以檢測到低速、微弱的血流，但在噪聲強度較高或組織運動較大的情況下，SVD濾波器對微血流的檢測效果仍較為有限。因此，開發更為先進的雜波濾波算法對于提高微血流檢測的靈敏度和fUSI的成像效果具有重要意義[41]。
在施行fUSI過程中，采集時間較長（約數分鐘），為了避免手持探頭和待成像對象引入的運動偽影干擾，需使用專門的探頭架將超聲探頭固定在待成像對象的頭部。除此之外，長時間的信號采集，不可避免地會受到呼吸、心跳等運動的影響，基于SVD的雜波濾波方法可以在一定程度上去除掉組織運動的干擾，但在面對較大的運動時，運動矯正技術是不可缺少的一個環節，運動矯正的效果是影響微血流檢測效果和fUSI準確性的一個重要因素。
fUSI技術配合一維探頭使用，最初僅限于進行單個平面的功能成像（即二維fUSI），由此將腦激活圖譜的繪制和大腦功能連接矩陣的獲取限制在單個平面上。對大腦的神經活動進行三維映射能夠擴展人們對大腦的認知，三維fUSI技術應運而生。在信號采集期間對一維探頭進行機械平移，是最初進行三維fUSI的一種方式，但該方式的缺點是時間分辨率有限，無法提供瞬時體積采集，進而無法跟蹤整個大腦的自發瞬態模式。2019年，Rabut等[2]首次使用二維矩陣探頭（32 × 32陣元）和1 024通道的超聲采集系統對大鼠模型進行了四維fUSI（三維空間+時間）。為了降低對高通道超聲采集系統的需求，也可以通過稀疏矩陣技術，如行—列尋址技術[42]，或使用具有二維矩陣探頭的復用系統[16]。四維fUSI在技術上具有挑戰性，是當前fUSI領域的一個研究熱點和難點，也是未來fUSI技術進一步發展的突破口。目前，四維fUSI分辨率僅限于300 μm3，分辨率和靈敏度與二維fUSI相比還具有較大差距。除了分辨率和靈敏度的問題，四維fUSI過程中不可避免地會產生大量數據，因此對硬件進行數據傳輸的時間也有較高的要求。總而言之，未來四維fUSI技術的突破口在于如何最大程度地平衡采集時間、體積幀率、視野范圍、圖像分辨率和靈敏度等因素，從而實現高分辨率、高靈敏度和高體積幀率的大視野范圍的四維fUSI，并將其轉化到臨床應用中。
在商業化產品方面，目前僅有成熟的商用fUSI系統Iconeus One（Iconeus Inc.，法國），該機器采用先進的多平面波發射技術，高度優化的專用采集硬件也使得該機器可以完成高靈敏度的fUSI操作。該機器使用方便，操作較為簡單，無需用戶自行編程或者具備超聲成像領域專業知識，因此可以供神經科學家進行基礎神經科學研究使用。但由于該設備的軟件是高度集成的，用戶無法對超聲發射序列進行更改，并且該機器也未開放原始數據端口供超聲成像領域研究人員下載原始超聲數據進行后續分析，因此該設備操作的自由度相對較低。且相對于傳統的超聲成像設備來說，Iconeus One（Iconeus Inc.，法國）設備的價格較為昂貴。除此之外，研究人員還可以使用具有超快速超聲成像功能的可編程超聲成像設備，例如：Verasonics Vantage（Verasonics Inc.，美國）、Aixplorer（Supersonic Imagine Inc.，法國），進行原始超聲信號的采集。以上述兩種系統為代表的可編程超聲成像設備在使用上具有較高自由度，研究人員可自行編程控制超聲發射和采集序列，但需要研究人員通過編程親自完成后續的雜波濾波、功能分析等操作，在使用上具有較高的技術門檻，更適合超聲成像領域的研究人員進行使用。
4 總結與展望
上述動物及臨床試驗表明，fUSI技術研究正穩定向前蓬勃發展，目前在成年人和新生兒領域尚處于初步研究階段。fUSI可以廣泛應用于臨床進行腦功能評估，尤其適用于新生兒腦功能研究領域，更為危重癥新生兒的腦氧代謝及神經元活動狀態評估提供了可能性。
在實現方式上，fUSI正在從有創的開顱成像向無創的經顱成像邁進；未來，fUSI還將從二維成像向高維成像邁進，即在整個大腦范圍內繪制腦激活圖譜和功能連接矩陣[43]。在應用方向上，fUSI正在從臨床前應用向臨床應用邁進。本文對fUSI在神經成像領域的發展和應用進行了綜述，fUSI不僅已用于從小鼠到非人靈長類等多種動物的腦功能成像，甚至還用于臨床術中成像和新生兒的床旁腦功能成像。未來，fUSI在神經科學研究中具有較大應用潛力，可望成為神經科學家、病理學家與藥理學家的重要工具。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：黃俐杰負責文獻調研、論文撰寫和修改意見的處理；何瓊、王銳、魏星月負責論文的修改和補充完善；謝剛橋負責修改意見的處理；羅建文為論文的寫作指導并承擔審校工作。