可穿戴超聲貼片提供無創(chuàng)深層組織監(jiān)測

2/2可穿戴超聲貼片提供無創(chuàng)深層組織監(jiān)測

2023-05-0808:31利用超聲波檢查組織的生物力學(xué)特性可以幫助檢測和管理病理生理狀況，跟蹤病變的演變和評估康復(fù)進展。加州大學(xué)圣迭戈分校（UniversityofCalifornia,SanDiego）的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種可拉伸的超聲波貼片陣列，能以0.5毫米的空間分辨率對人體皮膚表面以下4厘米深的組織進行連續(xù)、非侵入性的三維成像。相關(guān)研究于近日發(fā)表在《NatureBiomedicalEngineering》。

“我們發(fā)明了一種可穿戴設(shè)備，可以頻繁評估人體組織的硬度，”Xu實驗室的博士后研究員和作者之一HongjieHu說道。“特別地，我們將超聲元件陣列集成到軟彈性基體中，并使用波浪形蛇形可拉伸電極將這些元件連接起來，使設(shè)備能夠貼合人體皮膚，對組織硬度進行序列評估?！?/p>

彈性成像監(jiān)測系統(tǒng)可以為深層組織機械特性的串行、非侵入性和三維映射。這有幾個關(guān)鍵應(yīng)用：

a.在醫(yī)學(xué)研究中，病理組織的序列數(shù)據(jù)可以提供關(guān)于疾病進展的重要信息，例如癌癥通常會導(dǎo)致細胞變硬。

b.監(jiān)測肌肉、肌腱和韌帶可以幫助診斷和治療運動損傷。

c.目前用于治療肝臟和心血管疾病的方法，以及某些化療藥物可能會影響組織硬度。連續(xù)的彈性成像可以幫助評估這些藥物的療效和遞送方式。這可能有助于創(chuàng)建新型的治療方法。

除了監(jiān)測癌細胞組織外，這項技術(shù)還可應(yīng)用于其他場景：

a.監(jiān)測肝硬化和肝炎。通過使用這項技術(shù)評估肝纖維化的嚴重程度，醫(yī)療專業(yè)人員可以準確地跟蹤疾病的進展，并確定最合適的治療方案。

b.評估肌肉骨骼疾病，如肌腱炎、網(wǎng)球肘和腕管綜合癥。通過監(jiān)測組織硬度的變化，這項技術(shù)可以為這些疾病的進展提供有價值的見解，使醫(yī)生能夠為患者制定個性化的治療計劃。

c.診斷和監(jiān)測心肌缺血。通過監(jiān)測動脈壁的彈性，醫(yī)生可以識別疾病的早期跡象，并及時干預(yù)，防止進一步損害。

人類遲發(fā)性肌肉酸痛的多位點定位和連續(xù)監(jiān)測|HongjieHuetal.

Xu實驗室將原本是固定和便攜的設(shè)備變得具有可伸縮和可穿戴性，推動了醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型?？纱┐鞒曎N片實現(xiàn)了傳統(tǒng)超聲檢測的功能，并突破了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的限制，例如單次測試、僅在醫(yī)院內(nèi)測試和需要工作人員操作等?！斑@使患者能夠隨時隨地連續(xù)監(jiān)測其健康狀況，”HongjieHu表示。

這有助于減少誤診和死亡，同時通過提供一種非侵入性和低成本的替代傳統(tǒng)診斷程序的方法，顯著降低成本。“這股新的可穿戴超聲技術(shù)浪潮正在推動醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型，改善患者的預(yù)后，降低醫(yī)療成本，促進點-醫(yī)療診斷的廣泛采用，”Xu實驗室的訪問學(xué)生和作者之一YuxiangMa表示?！半S著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可能會看到醫(yī)學(xué)影像和醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的更加重大的進展?！?/p>

相關(guān)研究于近日發(fā)表在雜志《NatureBiomedicalEngineering》上，題為：Stretchableultrasonicarraysforthethree-dimensionalmappingofthemodulusofdeeptissue。

1、它是如何工作的

該裝置與人體皮膚相適應(yīng)并與之產(chǎn)生聲學(xué)耦合，從而可以進行經(jīng)由磁共振彈性成像驗證的精確彈性成像。在測試中，該裝置用于對離體組織的楊氏模量進行三維分布映射，以檢測志愿者肌肉在酸痛發(fā)生前的微觀結(jié)構(gòu)損傷，并在物理治療期間監(jiān)測肌肉損傷的動態(tài)恢復(fù)過程。

“我們選擇3MHz作為超聲換能器的中心頻率，”胡洪杰說?！耙驗橹行念l率越高，空間分辨率越高，但超聲波在組織中的衰減越強，3MHz既滿足了高空間分辨率的要求，又具有出色的組織穿透能力?！?/p>

該裝置由一個16x16的陣列組成。每個元件由一個1-3復(fù)合元件和一個背襯層組成，背襯層采用銀-環(huán)氧復(fù)合材料設(shè)計，用于吸收過度振動，擴展帶寬并提高軸向分辨率。

“我們選擇了800μm的間距-即相鄰兩個元素中心之間的距離，這足以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，最小化來自相鄰元素的干擾，并使整個裝置具有良好的可拉伸性?！痹撔〗M的另一名博士后研究員XiaoxiangGao表示。

規(guī)格：

尺寸：約23毫米x20毫米x0.8毫米

雙向可拉伸性：40％。

穿透深度：大于4厘米

最高信噪比：28.4分貝

空間分辨率：0.5毫米

對比度分辨率：1.74分貝

可伸縮超聲陣列的工作原理、設(shè)計與制造|HongjieHuetal.

生物樣品的驗證和連續(xù)監(jiān)測|HongjieHuetal.

2、克服挑戰(zhàn)

這樣的技術(shù)必須通過超聲波記錄樣本中散射粒子的運動，并基于歸一化交叉相關(guān)算法計算其位移場。散射粒子的尺寸非常小，導(dǎo)致反射信號非常弱。要捕捉這樣微弱的信號需要極為敏感的技術(shù)。

現(xiàn)有的制造方法涉及高溫粘合，可能會對壓電材料中的環(huán)氧產(chǎn)生嚴重且不可逆的熱損傷。因此，傳感器元件的靈敏度會顯著降低。

“為了解決這些問題，我們開發(fā)了一種低溫粘合方法，”Hu說道。“我們用導(dǎo)電環(huán)氧代替焊膏，這樣可以在室溫下完成粘接而不會對元件造成任何損害。此外，我們用相干平面波合成模式替換了單平面波傳輸模式，這提供了更多的能量來提高信號強度，覆蓋整個樣本。通過使用這些策略，我們提高了設(shè)備的靈敏度，使其能夠良好地捕捉散射粒子的微弱信號?！?/p>

3、下一步工作

“我們可以在我們的裝置上安裝一層已知模量的彈性體，即所謂的校準層，以進一步獲得組織模量的定量絕對值，”賓夕法尼亞大學(xué)的博士后研究員、作者之一DaweiSong說道?！斑@種方法可以讓我們獲得更完整的組織機械特性信息，從而進一步提高超聲設(shè)備的診斷能力?！?/p>

此外，可以采用先進的光刻、粘貼和切割技術(shù)進一步優(yōu)化陣列設(shè)計和制造，從而減小間距并擴展孔徑，實現(xiàn)更高的空間分辨率和更廣泛的超聲窗口。

“探索與醫(yī)生合作的機會，在診所尋求潛在的實際應(yīng)用會更容易，”XiaoxiangGao說道?！拔覀兊脑O(shè)備在高風(fēng)險人群的密切監(jiān)測方面顯示出巨大潛力，可以在緊急時刻及時進行干預(yù)?！?/p>

通過臨床標(biāo)準方法使用較大樣本量進行驗證|Hongjie