聚焦超声联合微泡开放血脑屏障的技术参数与反馈控制研究进展

《IEEE Reviews in Biomedical Engineering》：Technical Parameters and Feedback Control for Blood-Brain Barrier Permeability Enhancement by Focused Ultrasound

本文聚焦于利用聚焦超声（FUS）联合静脉注射微泡（MB）非侵入性、可逆地增强血脑屏障（BBB）通透性这一前沿技术。作者系统回顾了临床前研究与临床试验中评估的关键技术参数（如频率、脉冲长度、声压及微泡类型/剂量），并深入探讨了基于谐波发射的功率反馈控制方法如何提升操作一致性及个体化适应性。该综述为优化FUS-MB介导的脑部药物递送方案提供了重要工程学指导，对推动神经疾病治疗具有显著意义。

　　

神经系统疾病是全球致残的主要原因，而治疗这些疾病面临的一个巨大挑战是血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）的存在。这道强大的生理屏障在保护大脑免受毒素和炎症侵袭的同时，也严重阻碍了超过98%的小分子药物和几乎所有大分子药物通过血液循环进入脑组织达到治疗浓度。传统的脑部药物递送方法，如输注高渗溶液暂时增加BBB通透性、对药物进行化学修饰以促进跨细胞扩散，或直接颅内注射等，均因空间特异性低、药物疗效差或扩散范围有限等问题，取得的成功非常有限。

在此背景下，聚焦超声（Focused Ultrasound, FUS）联合静脉注射微泡（Microbubbles, MB）技术应运而生，成为一种新兴的、能够暂时、可逆地增加BBB通透性的非侵入性方法。该方法具有高空间特异性、适应性强的覆盖范围，且无需对现有药物进行改造，展现出巨大的应用潜力。研究表明，利用该技术可将各种大小的药物和分子以治疗相关剂量递送过BBB。其潜在作用机制包括辐射力对微泡的作用、微泡振荡以及微泡周围的声流等对内皮细胞的刺激。近年来，该领域呈现指数级增长，至今已有近千篇相关出版物。本文旨在回顾为实现最佳效果所需的技术参数，以及声功率的监测和控制方法，相关成果发表于《IEEE Reviews in Biomedical Engineering》。

为开展此项综述研究，作者主要基于PubMed数据库检索并筛选了具有技术新颖性且与主题直接相关的文献，并优先引用临床试验以说明转化进展。研究聚焦于FUS-MB介导的BBB通透性增强领域的工程学与设备设计进展，并非系统性评价，而是通过呈现具有代表性的案例来阐明该领域的核心工程学权衡与技术进步。

II. 优化BBB通透性增强的参数

A. 频率

对于经颅FUS应用，最佳工作频率是颅骨衰减和焦斑体积之间权衡的结果。BBB通透性增强仅需低声功率，在此条件下颅骨的热效应和机械效应最小，因此允许使用较低频率来扩大焦斑体积并提高覆盖效率。例如，与650 kHz相比，250 kHz的半球形阵列产生的横向和轴向焦斑尺寸更大。低频还对基于CT的相位校正误差具有更大的容错性，从而改善聚焦质量，并扩大给定阵元尺寸下的电子偏转范围。对于经颅BBB应用，200-300 kHz的频率范围通常被认为是用于人体的最佳选择，除非需要更小的焦斑体积进行精确的解剖靶向。另一方面，对于植入式设备（如SonoCloud），则使用了更高的频率（1.05 MHz），以绕过颅骨引起的超声能量衰减，并获得更局限的焦斑体积用于实际靶向。

B. 脉冲长度、脉冲重复频率（PRF）和超声辐照持续时间

临床前研究评估了从单周期脉冲到连续波的各种脉冲长度。通常，BBB通透性增强的压力阈值随着脉冲长度的增加而降低，但在超过10 ms后效益趋于平稳，这可能是因为微泡在焦斑体积内耗尽。临床试验测试了2至25 ms的脉冲长度。单周期脉冲可以通过最小化颅骨内反射和驻波效应提供优势，并且已被证明可以有效地调节BBB通透性。PRF需要根据受试者的血液再灌注率进行优化，以确保微泡在脉冲之间在焦斑体积内充分补充。在人类受试者中，针对单个焦点，约1 Hz的PRF似乎是最有效的。当交错多个焦点靶点以治疗较大体积时，可能需要低于1 Hz的较慢PRF，以允许足够的毛细血管填充。临床研究使用了0.3 Hz、0.5 Hz、1 Hz和2 Hz的PRF，表明该范围在各种应用中通常是有效的。具有所选PRF的脉冲重复次数定义了总超声辐照持续时间。最佳持续时间很大程度上是经验性的，取决于所使用的特定声学参数，目标是在最大化BBB通透性的同时最小化血管损伤的风险。一般而言，当其他参数保持不变时，使用较低声压结合较长超声持续时间比在较高压力下较短时间超声处理能提供更好的安全性控制。临床试验测试了从50秒到270秒的超声时间。

改变脉冲长度和PRF会影响占空比。例如，常用的组合——10 ms脉冲长度和1 Hz PRF——产生1%的占空比。如前所述，在测试范围内，脉冲长度的影响往往比PRF更强，因此在调整参数时，不应将占空比单独作为固定参考。当交错多个焦点靶点以治疗大体积时，近场的累积占空比成为一个关键因素。如果累积占空比过高（例如>50%），则存在对颅骨产生热效应以及近场脑组织中空化活动导致超声能量衰减的风险。因此，实际限制——例如近场中允许的最大占空比，以及系统交错多个焦点的能力——可能最终决定脉冲长度和PRF的选择。

C. 峰值负压幅度（PNPA）

研究表明，BBB通透性增强的压力阈值随频率变化，较低频率需要较小的PNPA。机械指数（Mechanical Index, MI）——定义为PNPA与频率平方根的比值，通常用于超声成像——已被发现可以在其他参数保持不变时近似BBB通透性阈值的频率依赖性。回归分析表明，在MI约为0.46时存在一致的阈值。该阈值还取决于所递送药物分子的大小：较大的分子需要较高的MI才能实现有效的通透性增强。超过此阈值，BBB通透性随PNPA增加而增加，直到发生惯性空化，导致微泡破裂。这可能引起红细胞（RBC）从毛细血管外渗到脑组织中。然而，动物研究表明，当这种红细胞外渗局限于血管周围间隙时，通常会在几天内被清除，不会导致永久性组织损伤。压力幅度的进一步增加可能导致血管破裂和脑实质出血，造成组织损伤。红细胞外渗可通过T2*加权MRI检测，作为过度暴露的指标和应尽可能避免的安全限制。

BBB通透性增强的愈合时间也受所施加压力幅度的影响。对于小分子，如MRI造影剂，增强的通透性可持续数小时至48小时。超过12小时的延长通透时间与红细胞外渗和细微的组织损伤相关。对于较大的分子，BBB的关闭时间与分子大小成反比，因此大分子和细胞只能在超声处理期间穿过BBB。理论模型预测，1 nm粒子（约kDa级）的半关闭时间约为5.5小时，5 nm粒子（约数百kDa级）的半关闭时间约为1小时。

D. 微泡浓度

当其他参数保持不变时，BBB通透性增强的程度随微泡浓度的增加而增加。研究还表明，更高的浓度（例如Optison微泡高达200 μl/kg）显著降低了阈值并提高了BBB通透性增强的一致性。然而，这种浓度增加也与更高的组织损伤和炎症风险相关。在实践中，出于患者安全考虑，特别是对于有心内分流的患者，微泡的最大剂量受到监管。例如，根据药品标签，Definity微泡的最大剂量为20 μl/kg。为了在多个靶点进行多次团注注射，在动物研究中测试了每次团注4 μl/kg的较低浓度，并在后来的临床试验中实施。这允许进行五次团注注射，维持总剂量为20 μl/kg。观察到团注之间至少需要5分钟的延迟，以允许微泡从循环中清除（血浆半衰期约为1.5分钟）。

后来，更高总剂量（高达150 μl/kg）被批准用于临床试验，以支持更大体积的治疗。为了提高循环中微泡浓度的稳定性，输注取代了团注注射。最近的研究中使用了每5分钟输注4 μl/kg（或0.8 μl/kg/分钟）的剂量，以与先前方案保持一致，允许最长治疗时间为3小时。然而，该剂量可能并非最大化BBB通透性增强的最佳浓度，特别是对于较小的靶体积。最近的一项临床前研究表明，1.6 μl/kg/分钟的输注速率更接近地复制了初始基于团注的试验中达到的微泡浓度。在此输注速率下，在150 μl/kg的限制下，总允许输注持续时间约为90分钟。

E. 微泡类型

迄今为止，已测试了多种市售和内部制造的微泡，所有微泡在暴露于超声波时都显示出增强BBB通透性的能力。然而，不同的商业微泡——如Definity、Optison和SonoVue——具有不同的声学特性，导致其在BBB通透性增强方面的有效性存在差异。较早的一项研究发现，当Definity和Optison以其标准剂量（分别为10 μl/kg和50 μl/kg）给药时，BBB通透性增强的压力阈值相似。然而，Optison在焦斑体积内诱发了更多的红细胞外渗。这种差异可能归因于微泡壳组成的差异（Definity为脂质壳，Optison为白蛋白壳），但更可能是由于气泡尺寸分布的差异，Definity含有更高比例的小气泡。即使在使用气体体积归一化后，微泡配方——如壳组成、粘弹性、内部气体含量、直径和多分散性——的差异也会显著影响BBB通透性、炎症反应以及与声发射的相关性。多分散微泡表现出广泛的共振频率和声压阈值。这种多样性允许一部分微泡群体在各种频率下有效振荡，在各种条件下提供有效的BBB通透性增强。相比之下，单分散微泡具有狭窄的共振和压力敏感性，可能在有限的频带内产生更有效的BBB通透性增强。

其他研究报道，直径范围在0.2至1 μm的纳米气泡比传统微泡具有更长的体内循环时间（6-8分钟），表明其具有改善治疗持久性的潜力。最近的一项小动物研究进一步研究了使用纳米气泡递送抗体的疗效和重复超声处理的安全性。然而，尚无纳米气泡制剂获得临床使用的监管批准。在尺寸范围的另一端，声学簇疗法（Acoustic Cluster Therapy, ACT）使用带电微泡和微滴的簇，在激活时产生大到20-30 μm的气泡。这些较大的气泡表现出延长的体内停留时间（5-10分钟）和有效的BBB通透性增强。专门为治疗应用设计和优化微泡配方仍然是一个活跃且不断增长的研究领域。

III. 监测与功率反馈控制

由于无法直接进行体内声压测量，早期的临床前研究依赖于基于声学模型的压力估计进行功率控制。然而，由于患者群体间颅骨特性的显著变异性，此类模型在临床应用中可能产生显著误差。最初的临床试验显示患者间的增强水平和体积存在显著变异性，凸显了反馈控制的必要性，以提高BBB通透性增强在不同受试者间的可重复性。由于BBB通透性增强不会引起MRI成像特性的可检测变化，近期的努力集中在利用声发射进行反馈控制。一项早期研究表明，在接近BBB通透性增强阈值的声压下，二次和三次谐波发射会增加，先于与惯性空化和潜在组织损伤相关的宽带发射的出现。此外，次谐波和超谐波发射已被确定为微泡介导的空化活动的特征标志物，与谐波发射一起提供额外的见解。

利用多个空化接收器的波束成形技术已被证明可以有效解析空化事件的空间起源。被动声学成像（Passive Acoustic Mapping, PAM）增强了区分脱靶空化噪声的能力，并提高了在预期焦点区域空化幅度估计的准确性。在监测BBB调节程序的背景下，PAM已使用商用的一维（1D）线性接收器阵列以及定制的二维（2D）表面阵列实现。值得注意的是，大孔径2D阵列能够实现三维（3D）PAM，并提高了空间分辨率，特别是在轴向维度上。

首次主动反馈控制的演示利用了在斜坡超声处理（声功率逐步增加）期间出现的超谐波发射作为参考空化阈值。一旦检测到这些发射，声压降低到参考水平的指定百分比，并在超声处理的剩余时间内维持该水平。研究发现，在参考压力的75%时，观察到孤立的红细胞外渗，而在50%时，BBB通透性成功增强，且未检测到组织损伤。

当使用单个或有限数量的接收元件时，空化控制的声学性能会因接收器与目标之间的距离和角度的变化而在不同脑位置有所不同。使用具有3D PAM的大孔径接收器阵列提高了空化监测在不同脑内目标位置的准确性和一致性。开发了一种半球形、256通道、同心圆柱形换能器阵列，能够在多个频率下同时进行发射和接收。捕获次谐波发射以实时重建以声焦点为中心的1 cm3的3D体积。一旦重建体积内的空化活动超过预定义阈值，声压降低50%并维持超声处理的持续时间。后来开发了一个由4096个发射元件和256个接收元件组成的临床原型系统，其声学参数针对临床环境中的大体积靶点进行了优化。

另一种方法利用谐波发射作为反馈控制的基础。这种方法的一个优点是，谐波信号的变化可以在较低声压下被检测到，早于次谐波和超谐波发射的出现。因此，谐波发射可以更早地检测到稳定空化，并且可以在声功率从参考水平降低后继续监测空化活动。然而，谐波信号也可能来源于非线性超声传播和组织界面的反射，使其对微泡活动的特异性较低。为了解决这个限制，通常需要在微泡活动之前进行基线测量。已经开发了全闭环控制器，以将谐波发射水平维持在预定义范围内。这种方法的一个关键挑战在于校准每个目标位置的基线信号。此外，由于控制信号基于散射声能量的大小——这与微泡浓度成正比——最佳二次谐波信号可能因解剖位置和个体患者而异。

IV. 临床原型系统

多个原型系统已被开发用于BBB通透性增强的临床试验。表I总结了临床研究中使用的技术参数。

其中，SonoCloud（CarThera，法国巴黎）是唯一通过钻孔植入的装置。在一项针对复发性胶质母细胞瘤的重复给药临床试验中，植入了多个换能器（最多9个）以扩大治疗覆盖范围。基于这项研究，该设备已获得美国食品药品监督管理局（FDA）的突破性设备认定。该设备的单元件版本也在一项针对阿尔茨海默病的临床试验中进行了评估，实现了重复的BBB通透性增强。

所有其他四个系统，ExAblate Neuro（InSightec，以色列海法）、NaviFUS（NaviFUS，中国台北）、NS-US100（Neurosona，韩国首尔）和哥伦比亚系统（哥伦比亚大学，美国纽约市）均采用经颅方法。ExAblate系统采用了一个反馈控制器，该控制器调制声功率以在整个超声处理过程中将次谐波发射维持在预定义水平。最近，NaviFUS系统推出了其自己的基于声发射的反馈控制器实现，用于动态输出调节。图6显示了在BBB通透性增强临床试验中各种靶点的钆增强示例。一个关键的实践考虑是，相同的反馈控制算法是否经过充分优化，以在不同脑靶点和疾病中实现有效的BBB通透性增强。位于脑功能重要区域内的某些靶点——如阿尔茨海默病中的海马体或帕金森病中的壳核和黑质——对潜在不良反应（如出血）的耐受性可能低于恶性肿瘤内的靶点。因此，可能需要根据正在进行的临床试验的结果，并针对特定的疾病适应症和所递送的治疗剂，对反馈控制算法进行进一步细化。

在单个FUS焦点处实现的BBB通透性增强体积相对较小。在220 kHz的ExAblate系统（f-number = 0.5）上，增强区域通常形成一个椭球体，轴向尺寸约为2.5 mm和5 mm，体积约0.02 mL。尽管该频率下的半峰全宽（FWHM）压力场相当大（约3.8 mm x 7.5 mm），但有效治疗体积受到限制，因为峰值压力维持在刚好高于BBB通透性增强所需的阈值，以最小化出血风险。对于需要更大治疗体积的应用，可以使用1024元件阵列电子偏转超声束到多个焦点位置，并通过重叠的压力场确保完全和均匀的覆盖。其他原型系统中使用的较小孔径聚焦换能器受益于更大的焦斑体积以增加覆盖。例如，工作在250 kHz（f-number = 1）的单元件换能器具有-6 dB焦斑体积为6 x 6 x 49 mm3，约1 mL。工作在1 MHz的非聚焦植入式换能器在1 MPa压力下实现了约5 mL的覆盖体积。使用9元件SonoCloud-9设备，估计覆盖体积可大到53 mL，这在临床应用中显示出治疗效率上的显著优势。

另一方面，空间定义和覆盖体积内的压力均匀性也是关键考虑因素。海马体、壳核和运动皮层等结构具有不规则但明确的形状，需要毫米级的靶向精度。相比之下，脑肿瘤，特别是浸润性边缘，可能更大且定义不明确。尽管如此，为了确保均匀的BBB通透性增强同时最小化出血风险，整个治疗体积内相对均匀的压力分布是必要的。大孔径阵列通过堆叠多个小体积为精确靶点定义提供了灵活性。相反，当需要来自较小孔径阵列的较大焦斑体积时，可以选择性禁用大孔径阵列的侧边元件以减小孔径。或者，可以应用全息相位方法来塑造压力场或扩大焦斑体积。最终，靶向精度和治疗效率之间的权衡取决于具体的临床应用和治疗目标。

在表I所列的原型系统中，有三个采用了神经导航系统进行靶向引导。术前MR图像被注册到神经导航引导的FUS坐标系，使得手术无需术中MRI即可进行。这种方法消除了每次治疗期间对MRI接入的需求，使其对于重复治疗更实用和方便。另一种方法是共形设计，利用3D打印的患者特异性支架，以可重复的方式将FUS换能器定位在患者头部。这种设计也消除了对立体定位框架的需求，从而提高了患者舒适度并促进了多次治疗。然而，在现阶段，包含术中MRI的进一步临床试验仍然是必要的，以确保通过T2*加权成像进行精确的解剖靶向和安全性验证，特别是对于非肿瘤应用。此类研究对于在过渡到无需术中MRI引导也能安全运行的系统设计之前，优化和标准化空化控制机制至关重要。

一项研究表明，BBB关闭时间与总暴露体积无关，随后的一项研究证实，在老年大型动物模型中，半球尺度的BBB通透性增强具有良好的耐受性。在大体积重复BBB通透性增强的早期临床研究中普遍显示出可接受的安全性，但长期影响需要持续评估。大体积治疗中重复疗程的间隔时间通常从两周到两个月不等。临床前研究表明，由于针对壳成分的免疫反应，密切重复给药会加速微泡清除率，这可能影响给药一致性和治疗效率。治疗疗程之间保守的间隔也可能有助于最小化累积的神经炎症反应。持续的系统性临床随访，包括标准化的MRI（T2*加权和FLAIR）、炎症生物标志物监测以及认知或功能评估，对于在不同临床适应症中建立安全暴露限度和长期耐受性至关重要。

V. 结论

一系列技术参数已在临床前和临床研究中得到评估。对于经颅FUS应用，由于更好的颅骨穿透性，通常首选200-300 kHz的低频范围，而更高的频率（如1 MHz）已用于植入式设备。标准超声参数通常包括5-10 ms的脉冲长度、0.2-10 Hz的PRF以及90-180 s的总超声持续时间。声压通常设置在MI约0.46左右，这似乎接近BBB通透性增强的阈值，同时能最小化出血风险。为了提高药物递送效率和最小化不良反应，已经研究了各种类型的微泡和纳米气泡及其不同剂量。该方法的可行性已在针对多种神经系统疾病的多次临床试验中得到证实。未来的工作将侧重于针对特定应用优化这些参数，以在各种脑部疾病中最大化治疗效力。