2022-08-18

Science | 超声“贴纸”实现可移动实时成像

原创 图灵基因 图灵基因 2022-08-18 09:40 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

麻省理工学院的研究人员开发了一种可穿戴的超声波“贴纸”，可以对内部器官和组织进行长达48小时的高质量连续医学成像。这些贴纸可能会改进各种疾病的诊断和监测技术，并为发育生物学提供新的见解。

这项研究由麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵选贺博士领导，并发表在《Science》杂志上的一篇题为“Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs”的文章中。

“目前的模式……是使（可穿戴超声）设备变薄且可拉伸，以便在身体上进行保形附着。”研究人员写道。尽管可伸缩超声成像设备佩戴舒适，但仍存在成像分辨率低、身体运动过程中图像质量不稳定、成像持续时间短（约1小时）以及易发生设备故障等局限性。

“在这里，我们提出了一种不同的生物整合模式：通过柔软、坚韧和生物粘附性的耦合剂将薄而硬的设备牢固地粘附在身体上。”他们继续说道。

他们称之为生物粘附超声（BAUS）装置的贴纸克服了许多这些限制。它由一个薄而坚硬的探头组成，该探头采用一种耐用、有弹性的材料粘附在皮肤上，同时又柔软舒适。

“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。”麻省理工学院研究生、该论文的第一作者Chonghe Wang说。

该设备的粘合层由两层薄薄的弹性体制成，中间层包裹着一层固体水凝胶，这种水凝胶主要是一种水基材料，可以轻松传输声波。与传统的超声波凝胶不同，麻省理工学院团队的水凝胶可伸缩且具有弹性。

“弹性体可以防止水凝胶脱水。”麻省理工学院博士后、该研究的合著者Xiaoyu Chen博士解释说，“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。”

底部弹性体层被设计成粘附在皮肤上，而顶层则粘附在团队设计和制造的刚性传感器阵列上。整个超声波贴纸的尺寸约为2 cm2，厚度约为3 mm。

研究小组在志愿者身上测试了这些装置，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。这些设备可以生成主要血管和更深层器官（如心脏、肺和胃）的实时高分辨率图像。它们在各种环境条件下以及不同的患者运动（包括慢跑、喝水和举重）状态下保持强大的附着力并捕捉到变化。

从贴纸的图像中，研究小组能够观察到坐着与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，研究小组可以检测到底层肌肉的清晰图案，发出暂时性微损伤的信号。

当前的设计需要将设备连接到将反射声波转换为图像的仪器上。但是，如果这些设备可以无线操作——这是该团队目前正在努力实现的目标——那么它们就可以制成可穿戴的成像产品，患者可以从医生办公室带回家。

“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。”研究人员说，“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脏。”