高时空分辨率无创颅内源信号定位与解码：超声调制脑电技术的突破与应用

编辑推荐：针对传统脑电图(EEG)空间分辨率低、逆问题无唯一解的难题，研究团队基于真实头模和128阵元相控阵构建了经颅聚焦超声(tFUS)数值模拟与实验平台，开发了基于脉冲重复频率(PRF)边带的定位解码算法。实验表明，该平台在安全阈值内可实现10 mm调制范围，焦域声压较自聚焦提升200%以上，定位信噪比达24.18 dB（较传统算法提升50.59%），源信号解码精度>0.85，为高精度脑机交互提供了新范式。

　　脑科学领域长期面临传统脑电图(EEG)空间分辨率不足的瓶颈，由于颅骨体积传导效应，头皮EEG的空间分辨率仅达厘米级，难以实现精细脑机操控。更关键的是，EEG逆问题存在解不唯一性，这直接制约着脑机交互意图识别的准确性。近年来，经颅聚焦超声(tFUS)技术因其毫米级空间分辨率和非侵入特性成为研究热点，但早期研究需移除部分颅骨，且存在焦域能量不足、定位不稳定等问题。

针对这些挑战，基于真实头模和128阵元相控阵的研究团队构建了三维经颅多源偶极子定位解码系统。该研究创新性地采用国际脑磁图(ICBM)152模板衍生的纽约头模，通过k-Wave工具箱建立声场数值模型，结合时间反转(TR)相位调控方法补偿颅骨引起的声学畸变。在安全阈值方面，同时考虑机械指数(MI<1.9)和等效热剂量(ETD<10)，采用脉冲重复频率(PRF)边带算法解析超声调制脑电(USMEEG)信号特征。

关键技术包括：1）基于真实颅骨结构的3D打印仿生头模与相控阵声场平台，实现纯水/经颅条件下10 mm范围的精准聚焦；2）声电效应(AE)原理建模，通过超声调制脑组织电导率选择性捕获目标区电生理信号；3）PRF边带解码算法，利用102 Hz超声载波与源信号(8-35 Hz)产生的特征边带(如PRF±22 Hz)实现多源分离。

研究结果显示：1）声场调控方面，相控阵在纯水中产生长/短轴2.61/1.31 mm的椭球焦域，经TR调制后声压提升至0.22 MPa（较未调制状态提升214%），MI=0.21满足安全标准；2）定位性能上，22-28 Hz多源偶极子实验显示，PRF边带算法在目标频率处SNR达23.05-25.26 dB，定位误差<0.4 mm，而传统包络算法SNR仅16.05 dB；3）温度安全性验证表明，60秒连续照射下ETD为6.96×10^-4，远低于损伤阈值。

该研究的突破性在于：1）首次实现真实颅骨条件下的三维多源定位，解决EEG逆问题非唯一性；2）PRF边带算法将定位信噪比提升50.59%，为稳态视觉诱发电位(SSVEP)等应用提供新工具；3）建立的仿真指导实验范式，为阿尔茨海默病等神经疾病的精准调控奠定基础。论文发表于《Cyborg and Bionic Systems》，标志着无创脑机接口技术向临床转化迈出关键一步。