利用超声波检查组织的生物力学特性可以帮助检测和管理病理生理状况，跟踪病变的演变和评估康复进展。加州大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）的工程师已经开发出一种可拉伸的超声波贴片阵列，能以0.5毫米的空间分辨率对人体皮肤表面以下4厘米深的组织进行连续、非侵入性的三维成像。相关研究于近日发表在《Nature Biomedical Engineering》。
“我们发明了一种可穿戴设备，可以频繁评估人体组织的硬度，” Xu实验室的博士后研究员和作者之一Hongjie Hu说道。“特别地，我们将超声元件阵列集成到软弹性基体中，并使用波浪形蛇形可拉伸电极将这些元件连接起来，使设备能够贴合人体皮肤，对组织硬度进行序列评估。”
弹性成像监测系统可以为深层组织机械特性的串行、非侵入性和三维映射。这有几个关键应用：
a.在医学研究中，病理组织的序列数据可以提供关于疾病进展的重要信息，例如癌症通常会导致细胞变硬。
b.监测肌肉、肌腱和韧带可以帮助诊断和治疗运动损伤。
c.目前用于治疗肝脏和心血管疾病的方法，以及某些化疗药物可能会影响组织硬度。连续的弹性成像可以帮助评估这些药物的疗效和递送方式。这可能有助于创建新型的治疗方法。
除了监测癌细胞组织外，这项技术还可应用于其他场景：
a.监测肝硬化和肝炎。通过使用这项技术评估肝纤维化的严重程度，医疗专业人员可以准确地跟踪疾病的进展，并确定最合适的治疗方案。
b.评估肌肉骨骼疾病，如肌腱炎、网球肘和腕管综合症。通过监测组织硬度的变化，这项技术可以为这些疾病的进展提供有价值的见解，使医生能够为患者制定个性化的治疗计划。
c.诊断和监测心肌缺血。通过监测动脉壁的弹性，医生可以识别疾病的早期迹象，并及时干预，防止进一步损害。
人类迟发性肌肉酸痛的多位点定位和连续监测 | Hongjie Hu et al.
Xu实验室将原本是固定和便携的设备变得具有可伸缩和可穿戴性，推动了医疗监测领域的转型。可穿戴超声贴片实现了传统超声检测的功能，并突破了传统超声技术的限制，例如单次测试、仅在医院内测试和需要工作人员操作等。“这使患者能够随时随地连续监测其健康状况，” Hongjie Hu表示。
这有助于减少误诊和死亡，同时通过提供一种非侵入性和低成本的替代传统诊断程序的方法，显著降低成本。“这股新的可穿戴超声技术浪潮正在推动医疗监测领域的转型，改善患者的预后，降低医疗成本，促进点-医疗诊断的广泛采用，” Xu实验室的访问学生和作者之一Yuxiang Ma表示。“随着这项技术的不断发展，我们可能会看到医学影像和医疗监测领域的更加重大的进展。”
相关研究于近日发表在杂志《Nature Biomedical Engineering》上，题为：Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue。
1、它是如何工作的
该装置与人体皮肤相适应并与之产生声学耦合，从而可以进行经由磁共振弹性成像验证的精确弹性成像。在测试中，该装置用于对离体组织的杨氏模量进行三维分布映射，以检测志愿者肌肉在酸痛发生前的微观结构损伤，并在物理治疗期间监测肌肉损伤的动态恢复过程。
“我们选择3 MHz作为超声换能器的中心频率，”胡洪杰说。“因为中心频率越高，空间分辨率越高，但超声波在组织中的衰减越强，3 MHz既满足了高空间分辨率的要求，又具有出色的组织穿透能力。”
该装置由一个16 x 16的阵列组成。每个元件由一个1-3复合元件和一个背衬层组成，背衬层采用银-环氧复合材料设计，用于吸收过度振动，扩展带宽并提高轴向分辨率。
“我们选择了800μm的间距-即相邻两个元素中心之间的距离，这足以产生高质量的图像，最小化来自相邻元素的干扰，并使整个装置具有良好的可拉伸性。”该小组的另一名博士后研究员Xiaoxiang Gao表示。
规格：
尺寸：约23毫米x 20毫米x 0.8毫米
双向可拉伸性：40％。
穿透深度：大于4厘米
最高信噪比：28.4分贝
空间分辨率：0.5毫米
对比度分辨率：1.74分贝
可伸缩超声阵列的工作原理、设计与制造 | Hongjie Hu et al.
生物样品的验证和连续监测 | Hongjie Hu et al.
2、克服挑战
这样的技术必须通过超声波记录样本中散射粒子的运动，并基于归一化交叉相关算法计算其位移场。散射粒子的尺寸非常小，导致反射信号非常弱。要捕捉这样微弱的信号需要极为敏感的技术。
现有的制造方法涉及高温粘合，可能会对压电材料中的环氧产生严重且不可逆的热损伤。因此，传感器元件的灵敏度会显著降低。
“为了解决这些问题，我们开发了一种低温粘合方法，” Hu说道。“我们用导电环氧代替焊膏，这样可以在室温下完成粘接而不会对元件造成任何损害。此外，我们用相干平面波合成模式替换了单平面波传输模式，这提供了更多的能量来提高信号强度，覆盖整个样本。通过使用这些策略，我们提高了设备的灵敏度，使其能够良好地捕捉散射粒子的微弱信号。”
3、下一步工作
“我们可以在我们的装置上安装一层已知模量的弹性体，即所谓的校准层，以进一步获得组织模量的定量绝对值，”宾夕法尼亚大学的博士后研究员、作者之一Dawei Song说道。“这种方法可以让我们获得更完整的组织机械特性信息，从而进一步提高超声设备的诊断能力。”
此外，可以采用先进的光刻、粘贴和切割技术进一步优化阵列设计和制造，从而减小间距并扩展孔径，实现更高的空间分辨率和更广泛的超声窗口。
“探索与医生合作的机会，在诊所寻求潜在的实际应用会更容易，” Xiaoxiang Gao说道。“我们的设备在高风险人群的密切监测方面显示出巨大潜力，可以在紧急时刻及时进行干预。”
通过临床标准方法使用较大样本量进行验证 | Hongjie Hu et al.
内容来源：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
