用于人体皮层下脑刺激的柔性超声阵列：一项仿真研究

无需手术即可到达大脑深处

从帕金森病到慢性疼痛，许多脑部疾病源自埋藏在大脑表面深处的回路。如今，接触这些回路往往需要侵入性手术或体积庞大的设备，难以在日常门诊中使用。本研究探讨了一种新思路：一种柔软的可穿戴超声帽，能够贴合每个人的头部，未来有望在不开颅的情况下从头骨外部刺激深部脑区，从而帮助治疗神经精神疾病。

声波为何难以进入颅内

经颅聚焦超声利用集中的声波来加热、推动或调制脑组织。与磁或电刺激不同，它可以以高精度到达表面数厘米深处。但人类颅骨是声学障碍。坚硬且不规则的骨质会反射并折射超声，使焦点模糊，并在到达目标前消耗大量能量。现有临床系统采用大型刚性半球形阵列将超声发射器围绕头部并置于水浴中。这些机器可以工作，但笨重、昂贵，且当波束偏离半球中心时效率会下降。

贴合头骨的柔性帽

作者提出了截然不同的设计：一块薄且柔性的阵列，包含许多小型超声单元，分布在大约 8 × 8 厘米的区域，并弯曲以贴合每个人的头皮。由于装置直接贴在头部而非悬空，声波可以以更温和的入射角进入颅骨，减少反射并改善透射。研究团队基于四名受试者的 MRI 构建了详细的计算模型，模拟声波从该柔性帽穿过头皮、颅骨和脑组织到达位于颅骨下约 4 厘米处的靶点——接近丘脑和基底节等与运动与情绪相关的重要结构。

调节排列以获得更锐利的聚焦

在仿真中，研究者改变了两个基本设计参数：单元间距（节距）和每个单元的尺寸。增大间距会扩大阵列开口并产生更窄、更集中的波束，但如果排列过于规则，会在靶点以外出现明亮的“回声”点——称为旁瓣。增大单个单元会略微扩展焦点，但提高穿透颅骨的能量。研究团队进一步放弃了刚性网格，探索了螺旋和随机分布的单元布局，并使用受材料热退火启发的优化算法搜索在保持主焦点紧凑的同时抑制旁瓣的布局。

优于传统刚性半球体

将优化后的随机模式柔性阵列与标准刚性半球阵列比较时，柔性设计在仿真中明显更优。它产生的焦点在深度方向上几乎缩短了三分之一，水平面上的面积也更小，这意味着受刺激区域被更紧密地限制。同时，在相同单元数量下，靶点处的峰值压力比刚性半球高约 44%。柔性帽在约 30 × 20 毫米的扫描区域内也保持了良好聚焦，允许仿真中的波束在深部脑组织的一片区域内移动而仍保留大部分能量——这是刚性半球在不损失强度和锐度的情况下难以做到的。

迈向更温和、更精确的脑部治疗

对非专业读者而言，关键结论是：将许多微小超声发射单元以精心重塑和重新排列的方式制成柔软、贴合颅骨的帽子，可能让人们更容易将精确且强大的声脉冲送达皮层下靶点，而无需手术。尽管这项工作纯属计算仿真，仍需在真实设备和患者中验证，但它为未来原型提供了定量设计规则。如果实验上得到证实，此类柔性阵列有望使聚焦超声成为治疗帕金森病、癫痫和重度抑郁等疾病时更实用、更友好的选择，甚至可能支持将药物定向递送到特定脑区。

引用: Huo, H., DiSpirito, A., Wang, N. et al. Flexible ultrasound array for subcortical brain stimulation in humans: a simulation study. npj Acoust. 2, 11 (2026). https://doi.org/10.1038/s44384-026-00046-9

关键词: 经颅聚焦超声, 柔性脑刺激阵列, 无创神经调制, 皮层下脑靶点, 与颅骨贴合的可穿戴装置