利用超聲波檢查組織的生物力學(xué)特性可以幫助檢測(cè)和管理病理生理狀況，跟蹤病變的演變和評(píng)估康復(fù)進(jìn)展。加州大學(xué)圣迭戈分校（University of California, San Diego）的工程師已經(jīng)開(kāi)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(duì)人體皮膚表面以下4厘米深的組織進(jìn)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《Nature Biomedical Engineering》。
“我們發(fā)明了一種可穿戴設(shè)備，可以頻繁評(píng)估人體組織的硬度，” Xu實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員和作者之一Hongjie Hu說(shuō)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(lái)，使設(shè)備能夠貼合人體皮膚，對(duì)組織硬度進(jìn)行序列評(píng)估。”
彈性成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為深層組織機(jī)械特性的串行、非侵入性和三維映射。這有幾個(gè)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(jìn)展的重要信息，例如癌癥通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞變硬。
b.監(jiān)測(cè)肌肉、肌腱和韌帶可以幫助診斷和治療運(yùn)動(dòng)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(huì)影響組織硬度。連續(xù)的彈性成像可以幫助評(píng)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(cè)癌細(xì)胞組織外，這項(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于其他場(chǎng)景：
a.監(jiān)測(cè)肝硬化和肝炎。通過(guò)使用這項(xiàng)技術(shù)評(píng)估肝纖維化的嚴(yán)重程度，醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員可以準(zhǔn)確地跟蹤疾病的進(jìn)展，并確定最合適的治療方案。
b.評(píng)估肌肉骨骼疾病，如肌腱炎、網(wǎng)球肘和腕管綜合癥。通過(guò)監(jiān)測(cè)組織硬度的變化，這項(xiàng)技術(shù)可以為這些疾病的進(jìn)展提供有價(jià)值的見(jiàn)解，使醫(yī)生能夠?yàn)榛颊咧贫▊€(gè)性化的治療計(jì)劃。
c.診斷和監(jiān)測(cè)心肌缺血。通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)脈壁的彈性，醫(yī)生可以識(shí)別疾病的早期跡象，并及時(shí)干預(yù)，防止進(jìn)一步損害。
人類(lèi)遲發(fā)性肌肉酸痛的多位點(diǎn)定位和連續(xù)監(jiān)測(cè) | Hongjie Hu et al.
Xu實(shí)驗(yàn)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(dòng)了醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型。可穿戴超聲貼片實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的功能，并突破了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的限制，例如單次測(cè)試、僅在醫(yī)院內(nèi)測(cè)試和需要工作人員操作等。“這使患者能夠隨時(shí)隨地連續(xù)監(jiān)測(cè)其健康狀況，” Hongjie Hu表示。
這有助于減少誤診和死亡，同時(shí)通過(guò)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(dòng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型，改善患者的預(yù)后，降低醫(yī)療成本，促進(jìn)點(diǎn)-醫(yī)療診斷的廣泛采用，” Xu實(shí)驗(yàn)室的訪問(wèn)學(xué)生和作者之一Yuxiang Ma表示。“隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可能會(huì)看到醫(yī)學(xué)影像和醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的更加重大的進(jìn)展。”
相關(guān)研究于近日發(fā)表在雜志《Nature Biomedical Engineering》上，題為：Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue。
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(jìn)行經(jīng)由磁共振彈性成像驗(yàn)證的精確彈性成像。在測(cè)試中，該裝置用于對(duì)離體組織的楊氏模量進(jìn)行三維分布映射，以檢測(cè)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(cè)肌肉損傷的動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程。
“我們選擇3 MHz作為超聲換能器的中心頻率，”胡洪杰說(shuō)。“因?yàn)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(qiáng)，3 MHz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。”
該裝置由一個(gè)16 x 16的陣列組成。每個(gè)元件由一個(gè)1-3復(fù)合元件和一個(gè)背襯層組成，背襯層采用銀-環(huán)氧復(fù)合材料設(shè)計(jì)，用于吸收過(guò)度振動(dòng)，擴(kuò)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(gè)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(lái)自相鄰元素的干擾，并使整個(gè)裝置具有良好的可拉伸性。”該小組的另一名博士后研究員Xiaoxiang Gao表示。
規(guī)格：
尺寸：約23毫米x 20毫米x 0.8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(duì)比度分辨率：1.74分貝
可伸縮超聲陣列的工作原理、設(shè)計(jì)與制造 | Hongjie Hu et al.
生物樣品的驗(yàn)證和連續(xù)監(jiān)測(cè) | Hongjie Hu et al.
2、克服挑戰(zhàn)
這樣的技術(shù)必須通過(guò)超聲波記錄樣本中散射粒子的運(yùn)動(dòng)，并基于歸一化交叉相關(guān)算法計(jì)算其位移場(chǎng)。散射粒子的尺寸非常小，導(dǎo)致反射信號(hào)非常弱。要捕捉這樣微弱的信號(hào)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(huì)對(duì)壓電材料中的環(huán)氧產(chǎn)生嚴(yán)重且不可逆的熱損傷。因此，傳感器元件的靈敏度會(huì)顯著降低。
“為了解決這些問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種低溫粘合方法，” Hu說(shuō)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(huì)對(duì)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(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度，覆蓋整個(gè)樣本。通過(guò)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(hào)。”
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(zhǔn)層，以進(jìn)一步獲得組織模量的定量絕對(duì)值，”賓夕法尼亞大學(xué)的博士后研究員、作者之一Dawei Song說(shuō)道。“這種方法可以讓我們獲得更完整的組織機(jī)械特性信息，從而進(jìn)一步提高超聲設(shè)備的診斷能力。”
此外，可以采用先進(jìn)的光刻、粘貼和切割技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)和制造，從而減小間距并擴(kuò)展孔徑，實(shí)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(jī)會(huì)，在診所尋求潛在的實(shí)際應(yīng)用會(huì)更容易，” Xiaoxiang Gao說(shuō)道。“我們的設(shè)備在高風(fēng)險(xiǎn)人群的密切監(jiān)測(cè)方面顯示出巨大潛力，可以在緊急時(shí)刻及時(shí)進(jìn)行干預(yù)。”
通過(guò)臨床標(biāo)準(zhǔn)方法使用較大樣本量進(jìn)行驗(yàn)證 | Hongjie Hu et al.
內(nèi)容來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01038-w
https://today.ucsd.edu/story/leading-wearable-ultrasound-lab-creates-a-breakthrough-in-deep-tissue-monitoring
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