加州大学圣地亚哥分校的一个工程师团队开发了一种可拉伸的超声波阵列，能够以0.5毫米的空间分辨率对人体皮肤表面以下四厘米深的组织进行连续，非侵入性，三维成像。这种新方法为当前方法提供了一种非侵入性、长期的替代方案，并具有更高的穿透深度。
这项研究来自加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的通讯作者Sheng Xu的实验室。论文“用于深层组织模量三维映射的可拉伸超声阵列”发表在 1 年 2023 月 <> 日的《自然生物医学工程》上。
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“我们发明了一种可穿戴设备，可以经常评估人体组织的刚度，”徐组博士后研究员、研究合著者胡宏杰说。“特别是，我们将一系列超声波元件集成到柔软的弹性体基质中，并使用波浪形蛇形可拉伸电极来连接这些元件，使该设备能够符合人体皮肤，用于组织硬度的连续评估。
弹性成像监测系统可以为深层组织提供连续、非侵入性和三维机械性能映射。这有几个关键应用：
在医学研究中，病理组织的连续数据可以提供有关癌症等疾病进展的关键信息，癌症通常会导致细胞变硬。
监测肌肉、肌腱和韧带有助于诊断和治疗运动损伤。
目前对肝脏和心血管疾病的治疗，以及一些化疗药物，可能会影响组织僵硬。连续弹性成像可以帮助评估这些药物的疗效和递送。这可能有助于创造新的治疗方法。
除了监测癌组织外，该技术还可以应用于其他场景：
监测肝脏纤维化和肝硬化。通过使用这项技术来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。
评估肌肉骨骼疾病，如肌腱炎、网球肘和腕管综合征。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。
心肌缺血的诊断和监测。通过监测动脉壁弹性，医生可以识别疾病的早期迹象，并及时进行干预以防止进一步损害。
可穿戴超声贴片既完成了传统超声的检测功能，又突破了传统超声技术的局限性，如一次性检测、仅在医院内检测、需要工作人员操作等。
“这使患者能够随时随地持续监测自己的健康状况，”胡说。
这有助于减少误诊和死亡，并通过提供传统诊断程序的非侵入性和低成本替代方案来显着降低成本。
“这种新浪潮的可穿戴超声技术正在推动医疗保健监测领域的转型，改善患者的治疗效果，降低医疗成本并促进即时诊断的广泛采用，”徐组访问学生，研究合著者Yuxiang Ma说。“随着这项技术的不断发展，我们很可能会在医学成像和医疗监测领域看到更重大的进步。
该阵列贴合人体皮肤并与之声学耦合，允许通过磁共振弹性成像验证准确的弹性成像。
在测试中，该装置用于绘制离体组织杨氏模量的三维分布，在酸痛发作前检测志愿者肌肉的微观结构损伤，并监测物理治疗期间肌肉损伤的动态恢复过程。
该器件由一个 16 x 16 阵列组成。每个元件由一个1-3复合元件和一个由银环氧树脂复合材料制成的背衬层组成，旨在吸收过度振动，拓宽带宽并提高轴向分辨率。
该技术必须通过超声波记录样品中散射粒子的运动，并基于归一化互相关算法计算其位移场。散射粒子的尺寸非常小，导致反射信号微弱。要捕获如此微弱的信号，需要非常敏感的技术。
现有的制造方法涉及高温粘合，可能对压电材料中的环氧树脂造成严重的、不可逆的热损伤。因此，换能器元件的灵敏度会显著降低。
“为了应对这些挑战，我们开发了一种低温粘合方法，”胡说。“我们用导电环氧树脂代替了焊膏，这使得粘合可以在室温下完成，而不会对元件造成任何损坏。此外，我们将单平面波传输模式替换为相干平面波复合模式，这提供了更多的能量来提高整个样品的信号强度。使用这些策略，我们提高了设备的灵敏度，使其在捕获散射粒子的微弱信号方面表现良好。
“具有已知模量的弹性体层，即所谓的校准层，可以安装在我们的设备上，以进一步获得组织模量的定量绝对值，”宾夕法尼亚大学博士后研究员Dawei Song说。“这种方法将使我们能够获得有关组织机械性能的更完整信息，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、拾取和放置和切割技术来进一步优化阵列设计和制造，从而减小间距并扩展孔径，以实现更高的空间分辨率和更宽的超声窗口。
“与医生合作探索机会，在诊所寻求潜在的实际应用会更容易，”高说。“我们的设备在密切监测高危人群方面显示出巨大的潜力，能够在紧急情况下及时干预，”高说。
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