超聲成像是用于體內(nèi)軟組織無(wú)創(chuàng)可視化的最強(qiáng)大和最常見(jiàn)的醫(yī)療工具之一。然而，超聲檢查需要訓(xùn)練有素的超聲醫(yī)師在患者身體表面定位和定向換能器，并且圖像質(zhì)量高度依賴于操作者手部的穩(wěn)定性。正因?yàn)槿绱耍暢上裨诤艽蟪潭壬蟽H限于短時(shí)間和靜態(tài)的，這不僅是出于后勤方面的原因，而且還因?yàn)榕c換能器操作相關(guān)的重復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)超聲醫(yī)師的肌肉骨骼損傷的非常現(xiàn)實(shí)的威脅。巧合的是，在過(guò)去十年中，世界范圍內(nèi)也出現(xiàn)了超聲技師短缺的問(wèn)題，認(rèn)證超聲醫(yī)生所需的高要求和專業(yè)培訓(xùn)并沒(méi)有幫助緩解這個(gè)問(wèn)題。在過(guò)去的幾年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種可穿戴超聲貼片。盡管換能器的薄度和柔軟度有所改進(jìn)，但還沒(méi)有一個(gè)能滿足高質(zhì)量超聲成像的所有貼片組織界面要求。要為實(shí)際應(yīng)用做好準(zhǔn)備，貼片必須與身體具有穩(wěn)定的粘附性，來(lái)自換能器的聲能必須有效地傳輸?shù)襟w內(nèi)，并且設(shè)備不得引起皮膚刺激。在標(biāo)準(zhǔn)超聲檢查中，液體凝膠是耦合劑，即一種可以改善換能器-組織界面處的聲學(xué)傳輸?shù)牟牧稀Ｈ欢?/span>傳統(tǒng)的超聲波凝膠僅適用于短時(shí)間的成像，因?yàn)樗鼤?huì)隨著時(shí)間的推移變干或滴落。相反，彈性體和水凝膠耦合劑已被探索，但往往具有不理想的透射率或可用時(shí)間。于此，麻省理工學(xué)院趙選賀等人介紹了一種生物粘附超聲 (BAUS) 貼片，他們通過(guò)將軟水凝膠封裝在彈性體薄膜中并在其上涂上生物粘附材料，從而結(jié)合了彈性體和水凝膠的優(yōu)點(diǎn)，從而可能克服許多上述的突出挑戰(zhàn)。
BAUS耦合劑由一種柔軟而堅(jiān)韌的水凝膠組成，該水凝膠由殼聚糖-聚丙烯酰胺互穿聚合物網(wǎng)絡(luò) (10 wt%) 和水 (90 wt%) 組成。水凝膠由聚氨酯薄彈性體膜（厚度<40 μm）封裝，以防止水凝膠脫水并提供與干燥的耦合劑表面的舒適皮膚接觸。聚氨酯膜接枝了與 N-羥基琥珀酰亞胺酯 (NHS 酯) 偶聯(lián)的聚丙烯酸，與水凝膠形成牢固的結(jié)合。水凝膠-彈性體混合物進(jìn)一步被一層薄的生物粘附層（厚度<10 μm）覆蓋，該層由聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸和丙烯酸-NHS酯共聚合成。生物粘合劑中的羧酸、乙基和己基可以形成物理鍵，例如氫鍵和與皮膚的靜電相互作用；生物粘合劑中的NHS酯基可以與皮膚形成共價(jià)酰胺鍵。彈性體膜和生物粘附層的總厚度小于聲波波長(zhǎng)的四分之一，以最大限度地減少 BAUS 耦合劑的聲衰減。
圖|BAUS貼片的設(shè)計(jì)和成像性能BAUS貼片能夠與皮膚粘附48小時(shí)以上，并保持透射率。柔軟且粘附的BAUS耦合劑還減輕了剛性傳感器陣列的剛度，使其佩戴更舒適。剛性傳感器陣列允許高傳感器密度，每平方厘米400個(gè)傳感器。BAUS貼片為增加超聲檢查的可及性提供了令人振奮的機(jī)會(huì)。盡管目前，該貼片仍需要連接到非便攜式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以處理圖像，但它可以為超聲醫(yī)生提供即時(shí)緩解，例如，在患者接受麻醉和需要持續(xù)監(jiān)測(cè)腦血流的過(guò)程中。在這種情況下，BAUS貼片可以簡(jiǎn)單地貼在患者的太陽(yáng)穴上，并提供穩(wěn)定的血流成像。圖|血管的長(zhǎng)期連續(xù) BAUS 成像該貼片還為內(nèi)部器官的長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、高分辨率成像提供了機(jī)會(huì)。例如，謹(jǐn)慎監(jiān)測(cè)膀胱容量可以幫助患有泌尿功能障礙的人。無(wú)法感覺(jué)到膀胱充盈是尿失禁的一個(gè)原因，導(dǎo)致生理和心理?yè)p傷，用于測(cè)量膀胱充盈的便攜式超聲波設(shè)備可以為這些人提供私人警報(bào)，以緩解他們自己的壓力。對(duì)于心血管疾病的管理，負(fù)荷超聲心動(dòng)圖提供了對(duì)心臟功能的有價(jià)值的見(jiàn)解，包括瓣膜返流、瓣膜梯度、心室容積和心肌應(yīng)變跟蹤。然而，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中維護(hù)傳感器探頭的困難給這些檢查帶來(lái)了很大的后勤限制。由于與組織的出色耦合，BAUS 貼片可以在廣泛的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中捕獲高質(zhì)量的圖像。肌肉成像可以量化肌肉收縮，從而增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和神經(jīng)肌肉疾病的康復(fù)。此外，肺部超聲成像已成為篩查呼吸道疾病（如 COVID-19）的有力工具。“一勞永逸”的超聲貼片可以持續(xù)監(jiān)測(cè)傳染性患者，并將其暴露于醫(yī)務(wù)人員的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。圖|肺、隔膜、心臟和胃的長(zhǎng)期連續(xù) BAUS 成像然而，BAUS貼片確實(shí)存在一些局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)。該研究介紹了一種即插即用快速連接器系統(tǒng)，可以連接幾十個(gè)傳感器。然而，三維超聲成像需要數(shù)千個(gè)傳感器才能提供足夠的分辨率。控制數(shù)千個(gè)傳感器需要大量的電路和硬件，這將限制可操作性和移動(dòng)性。隨著涉及更多傳感器，在傳感器和電路之間形成互連變得更具挑戰(zhàn)性。對(duì)“芯片上的超聲波”的研究將為傳感器與所需的模擬和數(shù)字處理電路的集成提供急需的條件。盡管傳感器陣列制造方法不同，但BAUS耦合劑有可能改善這些系統(tǒng)的長(zhǎng)期耐磨性。AI技術(shù)輔助拓展未來(lái)應(yīng)用為了使超聲對(duì)普通患者完全用戶友好，可能還需要人工智能技術(shù)來(lái)協(xié)助放置和波束引導(dǎo)。研究人員展示了一個(gè)使用深度學(xué)習(xí)模型的交互式應(yīng)用程序，該模型可指導(dǎo)操作員操縱換能器以生成目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的最佳圖像。展望未來(lái)，自動(dòng)圖像分析和解釋將與圖像采集一樣重要。為移動(dòng)超聲成像提供普遍可及性的道路將需要在工程、科學(xué)和醫(yī)學(xué)的不同領(lǐng)域共同努力。1. C. Wang et al., Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs. Science 377, 517 (2022).DOI: 10.1126/science.abo2542https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542
2. Seeing inside a body in motion. Science 2022.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc8732
個(gè)人簡(jiǎn)介：
趙選賀，美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系教授。2003 年畢業(yè)于天津大學(xué)，2009 年博士畢業(yè)于哈佛大學(xué)機(jī)械工程系，師從國(guó)際著名力學(xué)家鎖志剛教授。課題組致力于人與機(jī)器之間的界面上發(fā)展科學(xué)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)健康和可持續(xù)性方面的巨大社會(huì)挑戰(zhàn)。當(dāng)前研究的重點(diǎn)是軟材料和系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，包括聚合物，水凝膠，生物粘合劑，生物電子學(xué)和醫(yī)療機(jī)器人。
近年來(lái)，趙選賀團(tuán)隊(duì)在Nature, Science, Nature Materials, Science Advances, Science Robotics, Advanced Materials, PNAS, Nature Communications, Physical Review Letters等學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文160余篇。他還是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)事業(yè)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)撸@海軍研究辦公室青年科學(xué)家項(xiàng)目獎(jiǎng)，及AVS生物材料部的青年研究者獎(jiǎng)。
