人工智能驱动的超声研究拓展脑部疾病治疗与监测可能性
2026年1月9日
作者：特雷西·特罗哈
由佐治亚理工学院副教授科斯塔斯·阿瓦尼蒂斯领导的一项研究在更安全、更有效地治疗和诊断脑部疾病方面取得了重大进展。该团队在《先进科学》杂志上发表的研究表明，将人工智能（AI）与聚焦超声相结合，可以安全地将疗法递送到大脑并改善诊断干预。
该研究针对医学界最严峻的挑战之一：血脑屏障（BBB）。血脑屏障是一种微薄的微观界面，既能保护大脑，又会阻挡大多数药物和诊断分子，这使得治疗和监测脑肿瘤及神经系统疾病极其困难。
安全有效地克服血脑屏障的策略，对于中枢神经系统疾病的诊断、治疗和监测至关重要。
超声系统学会预测风险
聚焦超声结合微气泡可以暂时打开血脑屏障。当精确控制时，该技术允许药物进入大脑，并使肿瘤和脑部疾病的微观分子报告物释放到血液中。
难点在于控制。超声能量不足则效果甚微；过量则可能导致微气泡破裂，增加组织损伤风险。
在研究中，阿瓦尼蒂斯（他同时在佐治亚理工学院机械工程学院和华莱士·H·库尔特生物医学工程系任职）及其合作者开发了一种机器学习辅助的闭环超声系统。该系统在治疗过程中持续监听微气泡产生的声学信号。与当前通常只在有害气泡破裂发生后才响应的系统（反应式系统）不同，AI驱动的系统能提前预判危险，并实时调整超声参数，使治疗保持在安全范围内（主动式系统）。
“它能在引擎翻车前听到轰鸣。它不会坐等麻烦发生，而是提前预见，”论文合著者、伍德拉夫学院博士后研究员李浩贤（“亨利”）说。
研究人员在超过54,000个超声实验收集的声学数据集上训练了机器学习模型，使系统能够识别有害微气泡行为前的细微声学模式。
“这拓宽了治疗窗口，意味着系统能识别安全增强气泡刺激的最佳点，使治疗更加一致，”李说。“因此，副作用几率降低，血脑屏障开放效果更佳。”
药物递送与液体活检的影响
通过安全地拓宽这一窗口，该技术使药物递送入脑和通过血液检测脑部疾病成为可能。
“由于该系统能更有效、更安全地打开血脑屏障，递送大分子或新一代疗法（如通常由大型纳米载体携带的基因治疗）变得可行，这些疗法原本无法到达大脑，或需要过高风险暴露水平，”论文合著者、生物工程与生物医学工程博士生维克多·梅内塞斯说。
该方法还使脑部微小疾病标志物进入血液成为可能，从而使基于血液的脑癌检测和监测更可行、更可靠。
“这凸显了将血脑屏障从障碍转变为诊断和治疗监测门户的潜力，”他说。
展望未来
研究人员证明，该方法成功地从老鼠扩展到大鼠，这是迈向临床应用的重要一步。由于系统灵活且数据驱动，它可以集成到现有的聚焦超声平台中，并针对个体患者进行调整。
“这是非常重要的工作，必将推动聚焦超声在临床的未来发展，”马里兰大学神经外科主任、论文合著人格雷姆·伍德沃思博士说。
伍德沃思是将聚焦超声技术转化为临床应用的先驱。
展望未来，阿瓦尼蒂斯表示，该技术可能重塑临床医生治疗和监测脑部疾病的方式。临床医生最终可能无需依赖MRI就能验证治疗效果，从而缩短门诊时间、降低成本并提高可及性。
下一步工作重点是调整和验证该系统用于人类。
“这些结果为AI驱动的聚焦超声系统建立了关键设计原则，对微气泡辅助疗法具有广泛影响，”阿瓦尼蒂斯说。“机器学习还揭示了脑肿瘤中微气泡行为的先前未被充分重视的模式，为基础和应用研究开辟了新可能性，并通过数据驱动的治疗校准，为更安全、更智能的聚焦超声疗法铺平道路。”
他的团队目前正在探索替代的机器学习架构，以继续改进其方法的性能和泛化能力。
该研究得到了美国国立卫生研究院和聚焦超声基金会的支持。阿瓦尼蒂斯的团队包括其实验室的研究生，以及来自马里兰大学、约翰霍普金斯大学和埃默里大学的研究人员。
引用：李浩贤、维克多·梅内塞斯等。“数据驱动反馈识别聚焦超声暴露方案以改进脑部纳米诊疗靶向。”《先进科学》。
副教授科斯塔斯·阿瓦尼蒂斯
照片左至右：李浩贤（“亨利”）和维克多·梅内塞斯
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