Современные методы визуализации мозга претерпевают стремительное развитие, направленное на повышение точности, скорости и удобства проведения исследований. Одним из перспективных направлений является функциональное ультразвуковое исследование (fUSi), позволяющее проследить мозговую активность с высокой пространственной разрешающей способностью и возможностью мобильного мониторинга. Традиционные методы, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), обладают высоким разрешением, но ограничивают движущихся пациентов и требуют громоздкого оборудования. В свою очередь, электроэнцефалография (ЭЭГ) и функциональное ближнее инфракрасное отражение (фНИФ) предлагают мобильность, но не могут обеспечить глубокого и высокодетализированного изображения. Функциональное ультразвуковое исследование, работающее на принципах ультрафастовой допплеровской визуализации, измеряет изменения кровотока в микрососудах мозга.
За счёт нейроваскулярной связи эти изменения служат надёжным маркером активности различных областей мозга. Уникальными преимуществами fUSi являются возможность регистрации изображений с пространственным разрешением порядка 200 микрометров и глубиной проникновения до пяти сантиметров, что не превышают современные оптические или электро-физиологические методы. Помимо этого, техника не требует контрастных агентов, работает в реальном времени и сравнительно доступна по стоимости. Однако для применения fUSi у человека существует серьёзное препятствие – черепная кость существенно ослабляет и искажает ультразвуковой сигнал, что ограничивает исследование только зонами после хирургического удаления кости или через искусственные окна. Для преодоления этой трудности используется установка сонолюцентных черепных имплантов из материалов, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK) или полиметилметакрилат (PMMA).
Эти материалы обладают более высокой прозрачностью для ультразвука по сравнению с естественной костью, позволяя проводить измерения не только во время операции, но и в амбулаторных условиях. Недавние исследования показали возможности мобильного fUSi на людях, оснащённых имплантатами PEEK. При помощи персонализированных трёхмерных печатных шлемов фиксируются ультразвуковые датчики и обеспечивается стабильность положения при проведении функциональных заданий, включая движения губ и ходьбу. При этом используются сложные алгоритмы обработки сигнала и оптическое отслеживание, позволяющее сопоставлять ультразвуковую информацию с данными фМРТ, обеспечивая тем самым высокую надежность результатов. Применение технологии в условиях свободного движения значительно расширяет возможности изучения работы мозга в естественных условиях.
Исследования, проведённые на пациентах с PEEK-имплантатами, показали стабильность и воспроизводимость функциональных сигналов длительное время — до 21 месяца. Это открывает перспективы для мониторинга динамики активности мозга в процессе реабилитации после черепно-мозговых травм или нейрохирургических вмешательств. Одним из важных достижений стало успешное получение чётких изображений коры головного мозга во время ходьбы, что ранее было крайне затруднительно при использовании классических методов сканирования. Функциональные карты, построенные на основе изменений кровотока, демонстрируют чёткую активацию сенсомоторных зон, отвечающих за управление движениями губ и рта. Это позволяет не только углубить понимание нейрофизиологии в реальных жизненных ситуациях, но и лежит в основе развития потенциала интерфейсов «мозг-компьютер» и персонализированной медицины.
Точность локализации активности с помощью fUSi подтверждается сопоставлением с фМРТ. Также продемонстрирована функциональная специфичность: зона активации изменяется в зависимости от сенсорных или моторных задач, а задачи с воображаемыми движениями вызывают сходную, но менее выраженную реакцию, что совпадает с познаниями из традиционных исследований визуализации мозга. Технически решение проблемы искажения ультразвукового сигнала при прохождении через PEEK имплант состоит в адаптации скорости звука при реконструкции изображения. Специальные алгоритмы компенсации аберраций позволяют получить более точные и соотносимые с анатомией данные без значительных потерь качества. Помимо научных исследований, технология функционального ультразвукового сканирования через черепные окна имеет значительный клинический потенциал.
Возможность проводить мониторинг кровотока и функциональной активности мозга в условиях интенсивной терапии, после травм или хирургических вмешательств без необходимости транспортировки пациента к громоздкому оборудованию является огромным преимуществом. Также открываются возможности для регулярного патрулирования состояния пациентов с опухолями мозга без частого применения дорогостоящего и не всегда доступного МРТ. Несмотря на положительные результаты, перед повсеместным внедрением технологии предстоит решить несколько задач. Одной из них является разработка трёхмерных зондов, способных обеспечить более полное покрытие и компенсацию смещений, вызванных движениями головы пользователя. Также важна оптимизация обработки больших объёмов данных в режиме реального времени для интерактивного использования и интеграции с другими методами нейровизуализации.
Другим значимым направлением является развитие трансчерепной функциональной ультразвуковой томографии без хирургических вмешательств. Для этого рассматриваются методы использования контрастных веществ, техники локализации ультразвука и улучшения аппаратного обеспечения. Несмотря на то что такие методы находятся в начальной стадии, их потенциальный эффект может радикально изменить ландшафт мобильной нейровизуализации. Таким образом, мобильное функциональное ультразвуковое исследование мозга становится важным звеном между лабораторными методиками и практической медициной, предлагая уникальные сочетания высокой точности, мобильности и доступности. Технология уже демонстрирует свои преимущества в изучении работы мозга при естественных движениях и может стать фундаментом для новых приложений в клинической диагностике, нейропротезировании и восстановительной медицине.
В обозримом будущем функциональное ультразвуковое исследование обещает стать неотъемлемой частью инструментов нейронаук и клинической практики, способствуя глубокому пониманию динамики мозговой деятельности и улучшая качество жизни пациентов с заболеваниями и травмами нервной системы.
