可拉伸的超聲換能器陣列實(shí)現(xiàn)深層組織3D成像

利用超聲波檢查人體組織的生物力學(xué)特性，可以幫助檢測(cè)并管理病理生理狀況，跟蹤病變的演變，評(píng)估康復(fù)的進(jìn)展。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授徐升領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可拉伸的超聲換能器陣列，能夠以0.5 mm的空間分辨率對(duì)人體皮膚表面以下深至4 cm的組織進(jìn)行連續(xù)、非侵入性3D成像。這種新方法提高了皮膚穿透深度，有望為當(dāng)前的人體組織檢查方案提供一種非侵入性的長(zhǎng)期替代技術(shù)。

這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue”為題發(fā)表于近日出版的Nature Biomedical Engineering期刊。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41551-023-01038-w

“我們發(fā)明了一種能夠連續(xù)評(píng)估人體組織硬度的可穿戴傳感器件。”徐升教授研究小組的博士后研究員、論文共同作者Hongjie Hu說，“值得注意的是，我們將一組超聲換能器陣列集成到柔軟的彈性基體中，并利用波浪形可拉伸電極連接這些換能器，使其能夠貼合人體皮膚，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)組織硬度的連續(xù)評(píng)估?！?/p>

這種超聲彈性成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為深層組織提供連續(xù)、非侵入性的3D力學(xué)特性映射，具有多種重要的潛在應(yīng)用：

- 在醫(yī)學(xué)研究中，病理組織的連續(xù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以提供有關(guān)疾病進(jìn)展的關(guān)鍵信息，例如腫瘤通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞變硬。

- 監(jiān)測(cè)肌肉、肌腱和韌帶，有助于診斷和治療運(yùn)動(dòng)損傷。

- 目前對(duì)肝臟和心血管疾病的治療，以及一些化療藥物，可能會(huì)影響組織硬度。連續(xù)彈性成像可以幫助評(píng)估這些藥物的療效和給藥情況，有助于開發(fā)新的治療方法。

除了監(jiān)測(cè)腫瘤組織，這項(xiàng)超聲成像技術(shù)還可以應(yīng)用于其它場(chǎng)景：

- 監(jiān)測(cè)肝纖維化和肝硬化。通過這項(xiàng)技術(shù)評(píng)估肝纖維化的嚴(yán)重程度，醫(yī)療人員可以準(zhǔn)確跟蹤疾病的進(jìn)展，確定最合適的治療方案。

- 評(píng)估肌肉骨骼疾病，例如肌炎、網(wǎng)球肘和腕管綜合征等。通過監(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)值的洞察，使醫(yī)生能夠?yàn)榛颊咧贫▊€(gè)性化的治療計(jì)劃。

- 心肌缺血的診斷和監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)動(dòng)脈壁彈性，醫(yī)生可以識(shí)別病情的早期跡象，并及時(shí)采取干預(yù)措施，防止進(jìn)一步的損傷。

徐升教授實(shí)驗(yàn)室：可穿戴超聲領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者

得益于技術(shù)的不斷進(jìn)步以及臨床醫(yī)生過去幾十年來的辛勤工作，超聲成像技術(shù)受到了業(yè)界的持續(xù)關(guān)注。徐升教授實(shí)驗(yàn)室被認(rèn)為是該領(lǐng)域的早期開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，尤其是在可穿戴超聲領(lǐng)域。該實(shí)驗(yàn)室致力于開發(fā)穩(wěn)定的便攜式器件，使其可拉伸、可穿戴，推動(dòng)了醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的變革。

可穿戴超聲貼片可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)的檢測(cè)功能，還突破了傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)的局限性，例如一次性檢測(cè)，僅能在醫(yī)院內(nèi)檢測(cè)，并且還需要專業(yè)人員操作等。

“我們的發(fā)明使患者能夠隨時(shí)隨地的連續(xù)監(jiān)測(cè)自己的健康狀況。”Hu表示。

這有助于減少誤診和死亡，并能夠通過提供一種非侵入性的低成本替代診斷方案來大幅降低醫(yī)療費(fèi)用。

“這一波新的可穿戴超聲成像技術(shù)正在推動(dòng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的變革，改善患者的預(yù)后，降低醫(yī)療成本，推動(dòng)即時(shí)診斷的廣泛應(yīng)用?！毙焐淌谘芯啃〗M的交流生、該研究合著者Yuxiang Ma說，“隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步完善，我們有機(jī)會(huì)在醫(yī)學(xué)成像和醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)領(lǐng)域看到更顯著的進(jìn)展?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)

其超聲換能器陣列貼合人體皮膚并與之聲學(xué)耦合，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)磁共振彈性成像驗(yàn)證的精確彈性成像。

在測(cè)試中，研究人員利用該器件測(cè)繪了體外組織楊氏模量的3D分布圖，檢測(cè)了志愿者肌肉在酸痛開始前的微觀結(jié)構(gòu)損傷，并監(jiān)測(cè)了理療過程中肌肉損傷的動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程。

可拉伸的超聲換能器陣列工作原理、設(shè)計(jì)和制造

“我們選擇3 MHz作為超聲換能器的中心頻率?！盚u解釋稱，“中心頻率越高，空間分辨率越高，但是超聲波在組織中的衰減越強(qiáng)，因此選擇3 MHz既可以滿足高空間分辨率的要求，也能滿足極好的人體組織穿透能力?！?/p>

該器件由一個(gè)16 x 16超聲換能器陣列組成。每個(gè)單元由1-3復(fù)合元件和由銀-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的背襯層組成，該背襯層旨在吸收過度振動(dòng)，拓寬帶寬，并提高軸向分辨率。

“相鄰單元中心之間的距離我們選擇了800?μm，這足以獲得高質(zhì)量的圖像，最大限度地減少來自相鄰單元的干擾，并使整個(gè)器件具有良好的可拉伸性?！痹撗芯啃〗M的另一位博士后研究員Xiaoxiang Gao說。

器件參數(shù)：

尺寸：約23 mm x 20 mm x 0.8 mm
雙軸拉伸性：40%
穿透深度：大于4 cm
最高信噪比：28.4 dB
空間分辨率：0.5 mm
對(duì)比度分辨率：1.74 dB

生物樣本的驗(yàn)證和連續(xù)監(jiān)測(cè)

克服挑戰(zhàn)

這種技術(shù)需要通過超聲波記錄樣本中散射粒子的運(yùn)動(dòng)，并基于歸一化互相關(guān)算法計(jì)算它們的位移場(chǎng)。散射粒子的尺寸非常小，導(dǎo)致反射信號(hào)微弱。要捕捉如此微弱的信號(hào)，需要非常靈敏的技術(shù)。

現(xiàn)有的制造方法涉及高溫粘合，這可能會(huì)對(duì)壓電材料中的環(huán)氧樹脂造成嚴(yán)重的、不可逆的熱損傷。結(jié)果會(huì)造成換能器元件的靈敏度顯著降低。

“為了克服這些挑戰(zhàn)，我們開發(fā)了一種低溫粘合方法?！盚u介紹說，“我們用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂代替焊膏，使粘合可以在室溫下完成，而不會(huì)對(duì)元件造成任何損壞。此外，我們用相干平面波復(fù)合模式取代單一平面波傳輸模式，這提供了更多的能量來提高整個(gè)樣本的信號(hào)強(qiáng)度。通過這些策略，我們提高了器件的靈敏度，使其能夠很好地捕捉來自散射粒子的微弱信號(hào)?！?/p>

進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

賓夕法尼亞大學(xué)博士后研究員、該研究合著者Dawei Song表述：“可以在這款器件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。這種方法將使我們能夠獲得有關(guān)組織生物力學(xué)特性的更完整信息，從而進(jìn)一步提高超聲波設(shè)備的診斷能力?！?/p>

人類遲發(fā)性肌肉酸痛的多點(diǎn)定位和連續(xù)監(jiān)測(cè)

此外，還可以采用先進(jìn)的光刻、拾放以及劃片技術(shù)來進(jìn)一步優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)和制造，從而減少間距、擴(kuò)大孔徑，以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率和更寬的超聲窗口。

Gao表示：“我們還將與醫(yī)生合作在診所探索潛在的實(shí)際應(yīng)用。這款器件在高危人群密切監(jiān)測(cè)方面展示了巨大潛力，以便在緊急時(shí)刻進(jìn)行及時(shí)干預(yù)?！?/p>

審核編輯：劉清