腦機啟偵 | 全面總結經顱聚焦超聲技術發展（02.07）

許多患有神經系統和精神疾病的患者，盡管接受了現代醫學和外科治療仍持續處于殘疾狀態。因此，迫切需要開發新型、安全、微創且可廣泛推廣的治療方法。近年來，聚焦超聲技術的進展正在開辟多個新的治療前沿。近日，多倫多大學Andres M. Lozano在Neuron發表相關綜述，本文論述了經顱聚焦超聲作為一種潛在的人類腦部疾病治療工具的興起并圍繞以下3種不同應用展開討論：

1高強度聚焦超聲（HIFU）用于在功能異常的腦區靶點產生治療性毀損灶；

2低強度聚焦超聲（LIFU）用于開放血腦屏障（BBB）；

3高強度聚焦超聲（HIFU）用于在功能異常的腦區靶點產生治療性毀損灶；

經顱聚焦超聲（FUS）通過將機械能量精準聚焦于大腦深部，已成為一種具有變革意義的無創腦部治療技術，具備毫米級精度且無需切口或電離輻射。然而，在近70年的時間里，人們普遍認為顱骨幾乎不可穿透，限制了其在腦部的應用。這一觀點源于Lynn等人早期在非人靈長類動物中的實驗：雖然超聲可誘導腦內損傷灶，但伴隨嚴重的顱骨和皮膚壞死。研究發現，顱骨對超聲的高吸收率（超過腦組織10倍以上）以及聲速的高度可變性使其如同一個散焦透鏡，嚴重干擾聚焦效果。因此，早期的動物乃至部分人體治療不得不依賴開顱形成“顱窗”以實現熱效應（如凝固或高溫）。真正的突破出現在研究人員采用高功率、大單元的球面相控陣列并結合水聽器信號校正相位畸變，成功實現了經顱聚焦消融活體組織；同時，通過優化頻率（600–700 kHz）、使用半球形陣列及表面冷卻等策略，有效控制了顱骨加熱。隨后，基于離體人顱骨測量與CT數據（包括厚度、形狀和密度）建立的非侵入性像差校正方法進一步提升了聚焦精度。將該技術與磁共振成像（MRI）融合，不僅實現了精準解剖靶向和實時溫度監測，還能檢測亞損傷水平的溫升并量化生物效應。這一系列進展推動了聚焦超聲從腦腫瘤的首次可行性驗證，逐步拓展至震顫及其他神經系統疾病的治療，開啟了無創神經調控與干預的新時代。

圖1 經顱超聲的歷史、技術原理及其發展歷程

FUS應用于大腦有多種方式。最初主要用于消融性神經外科手術，但隨著經顱聚焦技術的發展，研究者開始探索其他超聲介導的生物效應。其中一大關鍵挑戰是血腦屏障（BBB）它雖保護中樞神經系統，卻嚴重限制了藥物遞送。盡管早期已有研究提示超聲可增強BBB通透性，但直到2001年，才首次通過靜脈注射微泡結合超聲實現可靠且可重復的局灶性BBB開放。該方法利用微泡在超聲場中因高度可壓縮性而產生的劇烈振蕩，放大血管壁的機械運動，從而在僅需不到消融所需能量0.1%的低強度下即可安全、可逆地打開BBB。與此同時，經顱聚焦也使低強度聚焦超聲（LIFU）用于神經調控成為可能。雖然早年已有超聲誘導神經效應的報道，但真正推動該領域發展的是Tyler等人在體外和小鼠模型中的研究，后續多項工作證實LIFU具備高空間精度并能可靠誘發生理反應。此類神經調控效應已在非人靈長類動物和人類中得到驗證，但某些在小型動物中觀察到的現象（如經顱超聲刺激TUS引發的運動收縮）尚未在人類中復現。造成這種差異的主要原因包括：小型動物顱腔在所用低頻下易形成駐波以及超聲在顱骨中傳導產生的聲音可傳至內耳，引發驚跳反射，可能被誤認為真正的神經激活。這些混雜因素不僅引發了對超聲神經調控機制的深入討論，也增加了明確其特異性物理-生物效應的復雜性。

圖2 FUS的多種治療模式

盡管迄今為止尚無法在人類中通過經顱超聲刺激直接誘發運動神經元激活并引起肌肉收縮，但已有研究在健康受試者中觀察到更為細微的神經調控效應，這些效應出現在足以排除熱效應和空化效應的低強度條件下。為解釋超聲與神經組織之間的相互作用，學界提出了多種理論，其中主流觀點認為，超聲所產生的輻射力引起的組織微位移或對機械敏感離子通道或機械感受器的激活，可能是關鍵機制之一。目前關于經顱超聲刺激的作用機制和潛在應用存在大量假說，對其生物學后果的認識也在不斷加深，但尚未就神經調控效應的根本原理達成共識。盡管存在這種不確定性，全球范圍內已啟動大量研究并有越來越多的臨床證據表明經顱超聲刺激治療可為多種患者帶來獲益。從早期的超聲消融，到血腦屏障開放，再到近年來興起的神經調控，該領域發表的論文數量和臨床試驗規模持續快速增長，這本身已成為聚焦超聲研究活躍度的重要指標。

圖3 聚焦超聲在腦部的生物學效應與應用

多種聚焦超聲治療模式正在多個腦區靶點中被廣泛研究。通過高強度聚焦超聲對病理性腦組織進行局灶損毀或中斷功能失調的神經環路可在運動障礙患者中產生顯著的治療效果，并有望拓展至其他神經系統疾病。聚焦超聲在此類應用中具有獨特優勢，它是一種微創甚至無切口手術，無需開顱即可精準毀損深部腦結構。在操作過程中，超聲能量以逐步遞增的方式分次施加，使醫生能夠在術中實時監測病灶的位置與大小，并迅速評估療效及潛在不良反應。例如，在帕金森病或特發性震顫患者的丘腦腹中間核形成足夠大小的超聲消融灶后，震顫可立即停止。這一突破得益于多項技術進步，包括采用多達一千余個換能器單元的相控陣列，可將超聲束精確聚焦于單一深部腦靶點以及結合磁共振成像實現近實時溫度監測與解剖定位。在磁共振引導下，聚焦超聲束可在十至六十秒內向靶區傳遞一萬至四萬焦耳的能量，使局部溫度升至約六十攝氏度，從而實現可控的熱凝固壞死。此類技術被稱為磁共振引導聚焦超聲，其空間分辨率達一至二毫米，精準度由磁共振成像提供保障。

圖4 磁共振引導聚焦超聲在腦部損毀治療中的應用

經顱聚焦超聲在人腦中的研究具有重要科學與臨床意義：它開創了無創、精準調控或損毀深部腦區的新范式，突破了傳統手術和神經調控手段的局限；不僅能用于治療運動障礙、精神疾病、神經退行性疾病和腦腫瘤，還通過靶向干預幫助揭示腦功能的因果機制；結合磁共振引導，可實現個體化、實時監控的精準治療，加速從基礎研究到臨床應用的轉化，成為連接神經科學與腦疾病干預的關鍵橋梁。

參考文獻：Lipsman N, Hynynen K, Chen R, Lozano AM. Transcranial focused ultrasound in the human brain. Neuron. 2026 Jan 28:S0896-6273(25)00888-8.

doi: 10.1016/j.neuron.2025.11.015. Epub ahead of print. PMID: 41610842.

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