麻省理工：微型超声贴纸是连续实时成像的突破
麻省理工：微型超声贴纸以可穿戴方式解决当前超声医疗检查的痛点
【导读】：
麻省理工学院的工程师设计了一种邮票大小的超声波粘合剂可以产生心脏、肺和其他内部器官的清晰图像。微型贴纸，可以提供长达 48 小时的内部器官连续超声图像。这项创新是迈向未来的一步，贴纸可以在锻炼期间无线跟踪肌肉健康或怀孕期间胎儿发育。
超声成像可能是最安全和最常用的医学成像形式。然而，它仍然需要前往医生办公室和笨重的设备。
每个接受过超声波检查的人都会熟悉在使用探头之前会在皮肤上喷出厚厚的冷凝胶。这种凝胶对于超声波从探头清晰地传输到一个人的内部器官并再次传输回来是必要的。随着时间的推移，这种凝胶会干燥或从皮肤上流失，因此需要不断地重新涂抹以进行更长时间的超声手术。
麻省理工学院的这项开发中最大的创新之一是创造了一种封装在薄弹性膜内的水凝胶。这创造了一种完美的有弹性的材料，可以贴在皮肤上，同时有效地传输超声波。
“弹性体可防止水凝胶脱水，”共同主要作者陈晓宇解释说。“只有当水凝胶高度水合时，声波才能有效穿透并提供内部器官的高分辨率成像。”
该设备的另一部分包含数百个微型超声换能器的刚性阵列。共同主要作者 Chonghe Wang 表示，密集的换能器阵列与弹性体和水凝胶的弹性混合物相结合，使贴纸能够长时间一致地成像内部器官。
“这种组合使设备能够贴合皮肤，同时保持传感器的相对位置，以生成更清晰、更精确的图像，”王说。
当前超声使用的痛点
为了使用超声波成像，技术人员首先将液体凝胶涂抹在患者的皮肤上，该凝胶起到传输超声波的作用。然后将探头或换能器压在凝胶上，将声波发送到体内，从内部结构回声并返回探头，回声信号被转换成视觉图像。
对于需要长时间成像的患者，一些医院提供固定在机械臂上的探头，可以将换能器固定在适当的位置而不会感到疲倦，但液体超声凝胶会随着时间流走并变干，从而中断长期成像。
近年来，研究人员探索了可伸缩超声探头的设计，该探头将提供便携式、低剖面的内部器官成像。这些设计提供了一个灵活的微型超声换能器阵列，其想法是这种设备可以拉伸并与患者的身体保持一致。
但是这些实验设计产生了低分辨率的图像，部分原因是它们的拉伸：在与身体一起移动时，换能器相对于彼此移动位置，从而扭曲了生成的图像。
“可穿戴式超声成像工具在未来临床诊断中具有巨大潜力。然而，现有超声贴片的分辨率和成像持续时间相对较低，无法对深层器官进行成像，”麻省理工学院研究生王崇和说。
可穿戴式超声成像实验
发表在《科学》杂志上的一项新研究描述了该设备正在各种应用中进行测试，从慢跑到举重。这证明了新设备以前所未有的方式提供人类活动超声成像的非凡潜力。
研究人员通过对健康志愿者的一系列测试对超声波贴纸进行了测试，这些志愿者将贴纸贴在身体的各个部位，包括颈部、胸部、腹部和手臂。这些贴纸一直附着在他们的皮肤上，并在长达 48 小时内产生清晰的底层结构图像。在此期间，志愿者们在实验室进行了各种活动，从坐姿和站姿到慢跑、骑自行车和举重。
从贴纸的图像中，团队能够观察到坐着和站着时主要血管直径的变化。这些贴纸还捕捉到了更深层器官的细节，例如心脏在运动过程中如何改变形状。研究人员还能够看到胃扩张，然后在志愿者喝水时收缩，然后将果汁排出系统。当一些志愿者举重时，该团队可以检测到潜在肌肉中的明亮图案，这表明存在暂时的微损伤。
“通过成像，我们可能能够在过度使用之前捕捉到锻炼的瞬间，并在肌肉变得酸痛之前停下来，”陈说。“我们不知道那一刻可能何时到来，但现在我们可以提供专家可以解释的成像数据。”
后续开发
该团队正在努力使贴纸以无线方式运行。他们还在开发基于人工智能的软件算法，可以更好地解释和诊断贴纸的图像。然后，赵设想超声贴纸可以被患者和消费者打包购买，不仅可以用来监测各种内脏器官，还可以监测肿瘤的进展，以及子宫内胎儿的发育情况。可以生产用于多种用途的超声波贴纸，从运动跟踪到可疑肿瘤的长期监测。甚至可以在家中实时跟踪怀孕情况。
这种设备的未来潜力更令人兴奋。“我们设想在身体的不同位置贴上一些贴片，这些贴片会与你的手机通信，人工智能算法会根据需要分析图像，”作者赵宣和说。“我们相信我们已经开启了可穿戴成像的新时代：只要在你的身体上贴上一些贴片，你就可以看到你的内部器官。”