npj Flexible Electronics | 让神经电极对超声”隐身”: 一套声透明柔性界面,把电生理记录与功能超声成像装进同一块植入物

npj Flexible Electronics | 让神经电极对超声”隐身”:一套声透明柔性界面,把电生理记录与功能超声成像装进同一块植入物

一套柔性、可植入的神经电极界面,在保留可用金属厚度(50 nm 钛 + 300 nm 金)的前提下,让超声以约 80–90% 的透射率穿过它;隔着这层电极做功能超声成像(fUSI),无论是在血流模型(phantom)还是在体小鼠脑上,图像质量——信噪比、功能激活图、结构相似度(SSIM)——都与”没有电极”时几乎没有差别。

这项由代尔夫特理工大学(TU Delft)与弗劳恩霍夫 IZM 研究所等团队完成、发表于 npj Flexible Electronics(CC BY 开放获取)的工作,先建立了一套”什么条件下聚合物与金属对超声透明“的理论与仿真框架,据此给出最大化超声透射的设计准则,再用浸没实验和 fUSI 在 phantom 与在体逐级验证,最后展望了向治疗性聚焦超声(FUS)的拓展。它的意义在于:电生理(诊断 + 刺激)与功能超声成像这两类此前在物理上互相”打架”的模态,有望被装进同一块柔性植入物里。

01　多模态神经接口的矛盾

想边”读电”边”看血流”,金属电极却挡住了超声

理解大脑,既要”读”神经元的电活动,也要”看”与之耦合的血流动力学变化。近年兴起的功能超声成像(functional ultrasound imaging,fUSI),通过超快超声捕捉与神经活动相关的血流变化,提供了一种宽视场、高时空分辨、便携、微创的脑功能实时可视化手段——比 fMRI 更贴近神经元群体动态。如果能把 fUSI 与电生理结合,就能把”直接的神经电信号”与”间接的血流响应”对照起来,获得更完整的大脑图景。

但这里有一个物理上的硬矛盾

要把电生理和超声装到同一块植入物上,电极就横在了超声的必经之路上。而传统的刚性基底或较厚的金属电极会强烈阻挡声波,让电生理与功能/聚焦超声难以共存:

• • 金属导体:机械稳健、导电好,但与组织/水的声阻抗严重失配,超声大部分被反射,透过差。
• • 刚性/厚基底:进一步散射、衰减声波。
• • 石墨烯微晶体管阵列虽已被证明与 fUSI 兼容(原子级厚度天然声透明),但要做成带有实用厚度金属布线的常规柔性电极,”既柔性、又声透明、还保留可用金属”的条件,此前几乎没人系统研究过。

一句话:电极的”可用”与超声的”可穿过”,看似不可兼得。 这正是本文要破解的难题。

02　让金属”薄到对超声隐身”

声透明的物理:阻抗、衰减、厚度、模量的四方平衡

这项研究的核心不是去发明新材料,而是搞清楚”声透明”到底由什么决定,再把每一层的材料与厚度设计到位。

声透明取决于什么

一层材料让超声”穿过”还是”挡住”,由四个量共同决定:

• • 声阻抗:与周围介质失配越大,界面反射越强 → 要选低阻抗、减少反射;
• • 声衰减:材料内部把声能耗散掉 → 要薄、要选低衰减;
• • 厚度 ↔ 波长:厚度远小于波长时近乎透明,某些厚度还会因相长干涉(谐振)出现透射峰;
• • 杨氏模量:决定柔性与弯曲刚度 → 要足够软、贴合组织,又要机械稳定。

聚合物与金属各占一端:聚合物阻抗低(反射小)但衰减偏高;金属机械稳健但阻抗失配大、透过差。所以设计就是在这几者之间权衡选材与厚度。

关键结论:金属足够薄,就近乎透明

团队用多层声学模型对单层、三层、四层堆叠做了系统仿真,得到几条可直接用的准则:

• • 金属薄即透明:仿真显示 2 μm 厚的钛(Ti)在 25 MHz 下仍能保持 >90% 的超声透射——这说明常规电极里 50 nm Ti + 数百 nm Au 的金属厚度,远小于波长,对超声几乎”隐身”;
• • 高阻抗材料要更薄:聚对二甲苯(ParC,parylene C)因阻抗更高,要达到同样透射需薄近一个数量级;
• • 谐振可利用:TPU、PDMS 的 0.5/0.9 透射等值线上出现谐振特征(多层堆叠内的相长干涉),可被用来”开窗”;
• • 绝缘层影响小:绝缘层对透射影响有限,越薄越好。

看点:”声透明”不是换一种神奇材料,而是把每一层的厚度压到远小于波长、必要时调到谐振——这是一次典型的用结构设计换出一个声学窗口、让电学与声学在同一器件上共存的医工交叉解题。

核心设计准则概览

图1　超声兼容神经电极的概念示意。 (1) 多模态传感与刺激的重要性;(2) 超声波在电极处传播所面临的挑战(金属/硬基底挡声);(3) 声透明神经电极的设计思路。

图2　与超声兼容性相关的材料性质对比。 (a) 常用神经接口材料(聚合物与金属)的声阻抗、声衰减(@5 MHz)、杨氏模量;阴影为文献报道范围,标记为代表值。规律:聚合物阻抗低(组织界面反射小)但衰减高(能量损失大);金属机械稳健但阻抗失配大、超声透过差;器件设计需在阻抗(减反射)、衰减(减损耗)、杨氏模量(保机械稳定与低弯曲刚度)之间权衡厚度与选材。(b) 所选材料的仿真参数(加粗为本研究采用值):水声阻抗 Z=1.48 MRayl、TPU 1.99、PDMS 1.29、ParC 2.75,而金属高出十几倍——Ti 27.69、Au 62.53、Pt 69.76 MRayl,阻抗失配之悬殊一目了然。

图3　聚合物电极的结构与声学建模。 (a) 多层声学模型示意。(b) TPU、PDMS、ParC 的频率相关声衰减系数(实线为二次拟合)。(c–g) 单层系统透射系数随频率与厚度的仿真:Ti(c)、Au(d)、TPU(e)、PDMS(f)、ParC(g)。(h–j) 三层堆叠(100 μm TPU/PDMS 或 5 μm ParC 基底 + 50 nm Ti 粘附层 + 变厚 Au)。(k–m) 四层系统(再加绝缘层:25 μm TPU/PDMS 或 1.5 μm ParC)。实线等值线 = 0.9 透射,虚线 = 0.5;红色虚线为对应三层配置阈值,便于直接对比。

03　仿真说得通,实测也对得上

浸没实验里,多层堆叠仍 >80–90% 透射

漂亮的仿真还需要实验背书。团队搭了一套超声透射测量装置,把仿真曲线和实测一一比对。

实验装置

函数发生器经功率放大器驱动单阵元换能器,在水槽里产生声场;对面的针式水听器接收透过样品的声压。透射率 Tₘ 由”有样品(Pₒ₁)”与”无样品(Pₒ₂)”的声压之比得到;水作为类组织介质(声学性质相近)。

仿真—实验高度吻合

• • TPU 单层:全频段保持高透射,25 MHz 处Tₘ ≈ 0.88(接近 90%);
• • ParC 体系:在所测厚度与频率下透射 >80%;
• • 带金属的四层堆叠:25 μm TPU + 300 nm Au 的配置,即使在 25 MHz 仍保持 >80% 透射;
• • 一个关键洞见:25 μm 与 5 μm 的 ParC 配置可达到相近透射——说明”不同材料/几何也能殊途同归”,阻抗匹配与聚合物选型比单纯堆厚度更重要。

也就是说,在临床相关的高频段(实测到 25 MHz),精心设计的柔性电极对超声”基本透明”这一结论,仿真与实验是自洽的。

图4　超声透射实验装置与仿真对比。 (a) 装置示意:函数发生器经功率放大器驱动单阵元换能器,在水槽中产生声场,对面针式水听器接收;透射率 Tₘ 由”有样品(Pₒ₁)/无样品(Pₒ₂)”声压对比得到;水为类组织介质。(b–g) TPU 与 ParC 体系的仿真(实线)与实测(虚线+标记)透射系数:TPU(b)/ParC(e)单层不同厚度;TPU(c)/ParC(f)三层(50 nm Ti + 变厚 Au + 聚合物);TPU 四层(d,25 μm 基底 + 50 nm Ti + 300 nm Au + 25 μm 绝缘);ParC 四层(g,5 μm 基底 + 50 nm Ti + 300 nm Au + 1.5 μm 绝缘)。插图为放大视图。

04　隔着电极,功能超声成像照样清楚

从血流模型到在体小鼠脑,图像质量几乎不打折

声透射高只是前提,真正要回答的是:隔着这层电极做 fUSI,图还清不清楚? 团队从体外 phantom 一路验证到在体小鼠脑。

血流模型(phantom):有无电极,Doppler 几乎一致

在血液模拟液(BMF)上方 6、8、10 mm 三个成像深度,分别在有 / 无神经电极界面(NEP)两种条件下做功能超声:Power Doppler 强度、信噪比(SNR)、以及横/轴向分辨率(PSF 的 FWHM)在加上电极后基本不变(每组 n=180 次采集)。以 SNR 为例,有/无电极几乎重合——6 mm 处约 7.74 vs 7.80 dB、10 mm 处约 5.88 vs 5.95 dB。

在体小鼠脑:激活图与结构相似度都对得上

更关键的是在体实验:在视觉刺激下,经冠状面对小鼠脑做 fUS Doppler 成像,电极被放在颅窗上方。结果显示——无论是平均 Power Doppler 图(MPDI)、功能激活图、平均 fUS 信号,还是 SNR、时间信噪比(tSNR),有电极与无电极高度一致;两幅图的结构相似度(SSIM)也很高(n=5752 次采集),说明这层柔性电极几乎不干扰功能超声对脑活动的成像。

图5　用血流 phantom 验证 fUSI 与神经界面的兼容性。 (a) 血流 phantom 示意。(b) fUS 成像原理。(c) 在 BMF 上方 6/8/10 mm 三个深度、有/无 NEP 记录,ROI 内 SNR 以 mean ± SD 报告(6/8/10 mm 处有/无电极分别约 7.74/7.80、6.73/6.80、5.88/5.95 dB;标尺 2 mm)。(d、e) 不同深度下有/无 NEP 的 Power Doppler 强度(d)与 SNR(e)。(f) 横向/轴向分辨率:跨流道截面的典型 PSF 与 FWHM;n=180 次采集/组,归一化至对照(MPDI、无 NEP、6 mm)。*P>0.05,**P<0.01,***P<0.001。

图6　隔着柔性神经界面对小鼠脑做功能超声多普勒成像。 (a) 视觉刺激下经冠状面 fUS 脑成像装置(18 MHz 探头,经 TPX/凝胶耦合;离线经杂波滤波 → Power Doppler → GLM 激活图 / SSIM / MPDI 分析)。(b、c) 无界面(b)与有界面(c,置于颅窗上)时的平均 Power Doppler 图 MPDI(i)、激活图(ii)、平均 fUS 信号(iii);方框为 ROI;(i) 的 SCR/DBR 对应 (d)(e) 的 SNR 与 Power Doppler 强度;(ii) 的 ROI I/II 对应 (iii) 的时域信号。(d) SCR、DBR 的 Power Doppler 强度。(e) ROI 的 SNR。(f) ROI 的 tSNR(ROI I=高效应皮层区,绿;ROI II=低效应深部区,蓝)。(g) 有/无 NEP 两幅 MPDI 的 SSIM 图。(h) 整体 SSIM 指数直方图(单帧 vs 对照);n=5752 次采集/组;***P<0.001。

05　面向多模态闭环与治疗性超声的价值,以及待解决的问题

让”诊断—成像—调控”有望落到同一块植入物上

这项工作的意义,不在于某一个透射数字,而在于它把”柔性神经电极如何与超声共存”从经验试错变成了可计算的设计问题:给定频率与材料,就能算出该用多厚的金属、多厚的聚合物。由此,电生理记录 + 功能超声成像可以共处一体;顺着同一套准则,未来还可能叠加治疗性聚焦超声(FUS),走向”边看、边记、边调控”的多模态闭环。

但从这篇概念验证到真正可用的植入器件,仍有若干工程边界:

1. 声学最优 ≠ 电学最优　2 μm 钛虽然声透明,但其电学阻抗偏高,并不是理想的电极材料——选材必须同时兼顾声学透射与电学性能(这也是器件最终用 Au 做金属化的原因)。

2. 复杂电极几何尚待系统研究　当金属化的特征尺寸(如线-间距阵列)接近波长的”非可忽略比例”时,声学行为会更复杂,本文主要针对平整多层堆叠,阵列级结构需进一步研究。

3. 在体验证仍是早期　当前为小鼠脑、经颅窗的演示;长期植入稳定性、更厚的人类颅骨、更高密度阵列下的表现都有待验证。

4. fUSI 是间接信号　功能超声反映的是血流动力学变化,与直接电生理在时空尺度上互补而非等价,联用时需要谨慎解读。

5. 治疗性 FUS 仍是展望　向 FUS 神经调控的拓展在本文是讨论与前景,其安全性、剂量与在体效果尚未实测。

这项研究给柔性神经接口提供了一条清晰的设计思路:与其在”电极”与”超声”之间二选一,不如用声学建模把每一层都设计成”对超声透明”。 从一套设计准则,到可植入、可成像、乃至可调控的多模态器件,中间还有材料、阵列、长期在体等一道道工程关要过——但方向已经清楚。

参考文献

[1] Panskus, R., Velea, A. I., Holzapfel, L., Pavlou, C., Li, Q., Qin, C., Nelissen, F., Waasdorp, R., Maresca, D., Gazzola, V., & Giagka, V. Ultrasound-transparent neural interfaces for multimodal interaction. npj Flexible Electronics10(1), (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-025-00517-1

单位:代尔夫特理工大学微电子系 / 影像物理系、弗劳恩霍夫 IZM、荷兰神经科学研究所、阿姆斯特丹大学等;通讯作者:Vasiliki Giagka 等【具体以原文为准】