本研究展示了超快多普勒血管成像在人类脊髓手术期间用于生理监测的应用。
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本文内容
摘要
摘要
监测生理参数对于评估患者在术中情况至关重要。血流动力学信息（如血压和心率）可从超声多普勒信号中提取，能够实时反映血管功能并提示病理风险。与振荡法、磁共振成像（MRI）、常规多普勒及压电式方法相比，超快多普勒具有更优的时间分辨率，并对小血管具有高灵敏度。本研究描述了一例脊髓空洞症患者术中应用超快多普勒成像的实例。通过对数据进行后处理，生成了脊髓血管的功率多普勒图像以及生理参数，包括阻力指数（RI）和搏动指数（PI）的详细图谱。手术干预后，RI 和 PI 均显著降低（RI 均值：0.47 → 0.32；PI 均值：0.63 → 0.39；p < 0.001），中位数也呈现一致的下降趋势，表明脊髓血流动力学得到改善。利用该方法评估 PI/RI 参数的变化，可能有助于更全面地理解疾病进展及治疗效果，进而为手术策略和治疗方案提供指导。
引言
血压动态作为重要的术中生理指标，为手术策略提供有价值的指导，并确保手术安全1。脉搏波由心脏的周期性收缩与舒张产生，作为压力波从主动脉沿动脉血管系统传播2。这些波可被视为心血管功能的直接体现，为理解血压动态及整体血流动力学提供关键信息3。在临床实践中，脉搏波被广泛用于血流动力学状态的连续评估4。
作为中枢神经系统内的中继站和反射中枢，脊髓在传递运动和感觉信息方面发挥着关键作用。其血液供应的稳定性对于维持和恢复神经功能至关重要6。脊髓搏动性血流信号与脉搏波密切相关，包含血管弹性和血流动力学信息，从而反映脊髓的生理与病理变化。由于脊髓体积小、血管结构复杂7以及血流模式复杂8， 有效评估脊髓脉搏波面临巨大挑战。
已提出多种用于评估脉搏波的技术。振荡分析法操作简便，可快速测量，但其结果的准确性可能受到伪影、患者体位以及袖带尺寸和放置位置等因素的影响9,10。某些压电生物信号传....
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方案
本研究涉及人类受试者，所有操作均按照复旦大学附属华山医院人类研究伦理委员会批准的方案（2021-065）进行。所有参与者均签署了知情同意书。本研究仅用于初步科研与验证目的，不用于临床诊断。已评估相关美国食品药品监督管理局（FDA）推荐的安全指数，以确保符合既定的安全标准。本研究纳入的患者均被诊断为小脑扁桃体下疝畸形。参与者的纳入标准、排除标准和退出标准详见补充文件1。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 仪器准备
- 准备超声成像系统。
- 将128通道线性阵列连接到可编程超声系统。
注意：使用通过3D软件建模并由3D打印制成的定制设计外壳保护超声探头。本研究中使用的探头为微型化定制版本，而非商用版本。本研究所采用的超声系统平台此前已在多项研究中用于人体血管成像37,38,39,40。 - 将换能器的中心频率设置为15.625 MHz，对应100 µm的空间分辨率。
- 确保相邻阵元之间的节距配置为0.1 mm。
- 将128通道线性阵列连接到可编程超声系统。
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结果
超快多普勒具有高灵敏度，能够实现脊髓血管网络的高时间分辨率成像。与彩色多普勒相比，能量多普勒具有更高的信噪比（SNR）42。本研究采用适当的阈值范围对基于奇异值分解（SVD）的时空滤波器进行设置，从而有效识别真实的血流信号并实现血流方向的成像。图3E、F展示了使用超快多普勒技术获得的一例小脑扁桃体下疝畸形患者脊髓的能谱多普勒图像。这两幅图像分别显示了电凝治疗前和手术干预后小脑扁桃体向下移位并延伸进入椎管的情况。扁桃体与脊髓之间呈现出清晰的边界。经电凝治疗后（图6），小脑扁桃体回缩至颅腔内，其向下延伸的程度显著减小。脊髓明显减压，血供状况显著改善，表现为血管可见度提高和明显的扩张现象（图3F）。枕骨大孔水平的空间增加，提示脑脊液流动得到改善。
如图4所示，通过分析图像.......
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讨论
本研究中，术中采用超快多普勒成像技术提取人脊髓的血流信号。随后对血流信号进行频谱分析，并计算阻力指数（RI）和搏动指数（PI），从而获得脊髓血管的功率多普勒图像，以及一名小脑扁桃体下疝畸形患者的相应RI和PI图谱。在超快超声的背景下，小血管指直径约为100微米的血管，而直径小于100微米的血管则被归类为微血管30,43。
超快多普勒成像利用平面波发射，单次发射即可覆盖整个成像区域，其帧率比传统多普勒高出数百倍43。这一优势解决了感兴趣区域（ROI）大小与时间分辨率之间的权衡问题，使超快多普勒能够对血流动力学进行高灵敏度的监测21。研究表明，超快多普勒可用于测量脊髓术中血流的变化，并评估患者的相关血流动力学参数，包括阻力指数（RI）和搏动指数（PI）。尽管在多次采集过程中精确复制成像平面本身具有挑战性，但本研究中多个因素有助于确保一致性。首先，声窗较窄，这在本质上限制了探头.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性财务利益冲突。
致谢
本工作得到中国国家重点研发计划（编号：2023YFC2410900）、国家自然科学基金（编号：12274093）以及上海市国际科学技术合作项目（资助编号：23490713500）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MATLAB R2022b | MathWorks | N/A | 用于数据的后期处理 |
| 显微镜 | ZEISS | PENTERO 800 S | 用于术中显微观察 |
| 可编程超声系统 | Verasonics | Vantage 256 | 用于脊髓血管的超声成像 |
| 机械臂 | Aesculap | RT060R | 用于固定探头 |
| 单晶高频线阵换能器 | Verasonics | L22-14vX | 用于脊髓血管的超声成像 |
| 超声耦合剂 | Baby Fun | 型号 M | 消除探头与接触面之间的空气间隙 |
参考文献
- Zucker, N., et al. Physio-fus: A tissue-motion based method for heart and breathing rate assessment in neurofunctional ultrasound imaging. EBioMedicine. 112, 105581(2025).
- Ghosh, A., et al.
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