導(dǎo) 語
近日，麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了一種貼片形式的可穿戴超聲波監(jiān)視器，可以對體內(nèi)器官進行成像，而無需超聲波操作員或使用凝膠。該成果發(fā)表于《Nature Electronics》。
1、研究背景
隨著材料制造技術(shù)和機械工程的進步，現(xiàn)已出現(xiàn)高性能的壓電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有可塑性，能夠連續(xù)地對信號進行實時監(jiān)測和解碼，廣泛應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健領(lǐng)域。然而，盡管超聲波廣泛應(yīng)用于臨床實踐，但目前的可塑壓電超聲陣列在高超聲圖像質(zhì)量和機械拉伸性等方面仍面臨挑戰(zhàn)。此外，大多數(shù)便攜式超聲設(shè)備仍然采用剛性的平面配置，導(dǎo)致與彎曲的身體表面接觸不佳。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計，研究團隊設(shè)計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。
研究人員開發(fā)了一種可塑性超聲膀胱貼片（conformable ultrasound bladder patch, cUSB-patch），該貼片具有機械適應(yīng)性，能夠?qū)崟r監(jiān)測膀胱容量。通過使用摻雜了Sm/La的PMN-PT陶瓷材料，研究人員制造了一個工作頻率為2-5 MHz的64元素相控陣換能器。該貼片能夠在兩個方向上同時成圖像，而無需手動旋轉(zhuǎn)，可以在深度達到15厘米的地方對尿液膀胱進行成像，軸向分辨率小于0.6毫米。理論和體外實驗研究證實，無論是否使用超聲波凝膠，具有五個該陣列的cUSB-Patch可以在不同的體模（平面和曲面）上，都能提供準(zhǔn)確可重復(fù)的成像。
圖1：相控陣和cUSB-Patch概述
a) 手持式探頭在人體下腹部進行膀胱成像的操作示意圖。為了在標(biāo)準(zhǔn)臨床實踐中獲得膀胱的全面視圖，手持式探頭必須通過旋轉(zhuǎn)超聲探頭在兩個方向（橫向平面和矢狀平面）進行成像。b) 人體下腹部用于膀胱成像的 cUSB -Patch示意圖。無需手動旋轉(zhuǎn)，cUSB-Patch 可以同時獲取兩個方向的圖像。c) 下腹部 cUSB -Patch的橫截面示意圖。相控陣可以定位膀胱的前壁和后壁，并使用多個超聲波束覆蓋膀胱的整個視場。d) – f) cUSB-Patch 自然靈活的外形。g) 單個超聲相控陣的示意圖，標(biāo)記了關(guān)鍵組件。一維線性高性能壓電元件嵌入環(huán)氧樹脂基體中，具有共享的底部電極和獨立的頂部電極。定制的柔性 PCB 電纜與電極粘合。背襯層 (BL) 和兩個匹配層 (ML) 分別粘合在底部和頂部。h) 帶有柔性電纜的單相控陣的光學(xué)圖像。i) 帶有電極的陣列頂視圖的光學(xué)圖像。頂部電極（64 條跡線）與柔性電纜上的跡線完全對齊。j) 陣列橫截面的光學(xué)圖像，包括填充環(huán)氧樹脂的切割 La/Sm-PMN-PT 陶瓷元件、背襯層和兩個匹配層。比例尺：d)–f), h) 1 厘米；i) 2 毫米；j) 200 微米。（圖片來自原文）
初步的臨床研究證實了cUSB-Patch中心傳感器可以可靠地定位膀胱的初始中心位置，而其五個陣列可以從多個角度對膀胱進行成像，實現(xiàn)實時成像和檢測，無需移動或旋轉(zhuǎn)設(shè)備。cUSB-Patch無需改動即可對其他深部組織進行成像，通過簡單調(diào)整設(shè)計參數(shù)，也可以對淺層組織進行成像。所用可拉伸基材具備與人體表皮相似的彈性模量，能夠與人體無縫粘附。通過使用聲學(xué)薄膜，cUSB-Patch可以在無需超聲波凝膠的情況下工作。
圖2：C5-2v 商用探頭和 cUSB-Patch 在橢圓形體模上進行的實時超聲成像
a), b) 沿垂直方向涂有超聲凝膠的橢圓形體模頂面上的 C5-2v 探頭的光學(xué)照片a) 和圖像b)。c), d) C5-2v探頭在橢圓形體模頂面上沿水平方向涂有超聲凝膠的光學(xué)照片c) 和圖像d)。e) 橢圓形體模上 cUSB-Patch 的光學(xué)照片。f) 嵌入三維物體的橢圓形體模俯視示意圖。五個黑色方塊表示每個陣列的位置，每個黑色方塊中的黑色細線圖案表示 64 個元素的方向。橙色虛線和藍色虛線分別表示沿垂直和水平方向的成像。g),h) 橢圓形模型上的二維重建圖像。橙色虛線表示沿垂直方向構(gòu)建的圖像，藍色虛線表示沿水平方向構(gòu)建的圖像。在所有超聲圖像中，白色虛線表示 FOV。紅色虛線圓圈表示球形物體的平面視圖，黃色虛線三角形表示四邊形物體的平面視圖，綠色虛線矩形表示矩形物體的平面視圖。用于 cUSB-Patch 成像的 US-18 基本超聲體模未使用超聲凝膠。比例尺：a), c), e), f) 1 厘米；i) 2 毫米；j) 200微米。（圖片來自原文）
3、研究意義
與當(dāng)前臨床超聲探頭相比，該設(shè)備具有更大的視野，且無需手動操作即可實現(xiàn)完整器官的成像。在無需凝膠的前提下，具備與臨床所用探頭一致的圖像質(zhì)量，且在臨床研究期間可以輕松地進行多次拆卸和連接。該系統(tǒng)的其他優(yōu)點包括可重復(fù)使用性、無需凝膠的高質(zhì)量成像、無需旋轉(zhuǎn)和按壓的操作獨立性、易于清潔、適用于家庭護理環(huán)境。其未來可能的臨床應(yīng)用包括診斷和量化急性尿液滯留，長期監(jiān)測高風(fēng)險患者，以及作為癱瘓患者的輔助工具。
參考文獻：Zhang, L., Marcus, C., Lin, D. et al. A conformable phased-array ultrasound patch for bladder volume monitoring. Nat Electron (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01068-x
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