人體組織的力學(xué)性能對人體生理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。對各種器官進行頻繁的機械表征可以及時評估組織生長、代謝狀態(tài)、免疫功能和激素調(diào)節(jié)。最重要的是，病變組織的機械特性通常可以反映病理生理狀況。對這些特性的監(jiān)測可以提供有關(guān)疾病進展的關(guān)鍵信息，并及時指導(dǎo)干預(yù)。例如，已知腫瘤的硬度不同于健康組織的硬度。此外，在某些腫瘤中，當(dāng)它們在某些發(fā)育階段生長時，硬度會發(fā)生變化，而且這些變化會很快發(fā)生。需要經(jīng)常檢查這些腫瘤的硬度以進行生長階段評估和治療指導(dǎo)。機械表征對于許多肌肉骨骼疾病和損傷的診斷和康復(fù)也至關(guān)重要。肌肉模量的監(jiān)測可以更主動地篩查風(fēng)險區(qū)域。組織模量的監(jiān)測也已被證明有助于早期發(fā)現(xiàn)和跟蹤心血管疾病。理想的技術(shù)應(yīng)該提供具有精確位置、形態(tài)和機械信息的深層組織的非侵入性三維（3D）映射。然而，現(xiàn)有的方法無法滿足這一關(guān)鍵需求。為了填補這一技術(shù)空白，加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升等人報告了一種在設(shè)備工程和成像算法方面取得進步的可拉伸超聲波陣列。通過新的微制造協(xié)議，可以實現(xiàn)出色的換能器機電耦合。值得注意的是，今年年初，該研究團隊就在Nature上報道了一種可穿戴超聲貼片，即使佩戴者在移動，也能對心臟進行連續(xù)成像。該成像器體積很小，無需手持或繁瑣的固定即可貼合人體。它具有與皮膚相似的彈性，因此對用戶的日常活動的限制最小。（超聲貼片，才發(fā)Science，今再登Nature！）
相干復(fù)合成像策略可實現(xiàn)精確的位移計算，從而提高整個超聲窗口中的彈性成像信噪比 (SNRe) 和對比度噪聲比 (CNRe)。通過解決反彈性問題，可以推導(dǎo)出定量模量分布，與傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)彈性成像獲得的定性應(yīng)變分布相比，這是一個飛躍。傳統(tǒng)剛性超聲探頭由于無法適應(yīng)人體曲線形狀而導(dǎo)致聲耦合不佳。為此，研究人員設(shè)計了一種可伸縮的超聲陣列，具有以下特點：1）可伸縮性: 該超聲陣列可以與人體皮膚接觸并適應(yīng)其曲線形狀。通過使用一種基于硅的耦合劑，實現(xiàn)了與皮膚的高質(zhì)量聲耦合。2）工作原理: 當(dāng)激活陣列后，超聲波被發(fā)送到設(shè)備下方的組織中。散射源（例如組織界面）會反射超聲波，攜帶這些散射源的位置信息。陣列中的換能器元件以射頻數(shù)據(jù)的形式接收反射波。3）數(shù)據(jù)處理: 通過接收波束成形，增強每個元件收集到的射頻數(shù)據(jù)。然后，對比壓縮前后的射頻數(shù)據(jù)使用歸一化的互相關(guān)算法，計算出散射源的位移，具有高超聲敏感性和準(zhǔn)確性。使用最小二乘應(yīng)變估計算法將位移轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，同時最小化可能的波動。4）模量感測: 通過解決反彈性問題，對組織內(nèi)部的模量分布進行定量量化。這樣可以獲得組織的彈性信息，進一步用于成像和診斷。5）材料和性能: 選擇了適當(dāng)?shù)闹行念l率和精心設(shè)計的陣列間距，以平衡高空間分辨率和超聲波在組織中的頻率依賴線性衰減。采用了可擴展的方法來對齊阻尼材料和換能器元件，提高制造效率和性能一致性，并避免潛在的相位畸變。通過優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了低插入損耗、優(yōu)秀的超聲靈敏度和信噪比，以及可靠的防水性能。
圖|可拉伸超聲陣列的工作原理、設(shè)計與制作研究人員通過對各種人工模型和離體生物標(biāo)本進行測試，并通過磁共振彈性成像 (MRE) 進行定量驗證，展示了該技術(shù)的可靠性。對遲發(fā)性肌肉酸痛的體內(nèi)研究表明，該技術(shù)能夠以無創(chuàng)的連續(xù)方式追蹤肌肉損傷的恢復(fù)進程，提供治療指導(dǎo)。除了肌肉損傷，這項技術(shù)有可能實時監(jiān)測腫瘤的大小和模量并為治療決策提供信息，為基礎(chǔ)腫瘤學(xué)研究和臨床實踐提供一種新的分析方法。圖|人類遲發(fā)性肌肉酸痛的多部位標(biāo)測和系列監(jiān)測總而言之，這種可伸縮超聲陣列在超聲成像中具有廣泛應(yīng)用潛力，可以有效地適應(yīng)人體曲線形狀，提供高質(zhì)量的圖像，并獲得組織的彈性信息，有助于醫(yī)學(xué)診斷和研究。未來的發(fā)展可能會利用先進的光刻、切割和拾放技術(shù)來進一步優(yōu)化陣列設(shè)計和制造，這可以減少間距并擴大孔徑，以實現(xiàn)更高的空間分辨率和更寬的超聲窗口。此外，可拉伸超聲波陣列目前采用有線連接，用于數(shù)據(jù)和電力傳輸。由基于桌面的接口系統(tǒng)承擔(dān)的那些后端任務(wù)，例如電子控制、脈沖發(fā)生器和接收器以及數(shù)據(jù)處理，可以通過柔性印刷電路板來實現(xiàn)。隨著低功耗集成電路和柔性鋰聚合物電池技術(shù)的出現(xiàn)，可以設(shè)想整個硬件在保持其高性能的同時可以實現(xiàn)完全便攜。Hu, H., Ma, Y., Gao, X. et al. Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue. Nat. Biomed. Eng (2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01038-w
