Science：“贴纸”一小块，超声成像两整天

说到超声成像，各位读者估计有不少会想起体检中的腹部彩超项目，先在肚子上涂一坨又凉又粘的液体，然后医生拿着探头在肚皮上左按右压……要是为了憋尿连喝了3、4杯水，医生按压的手劲再大点，那感觉相当尴尬……毫无疑问，超声成像是用于体内软组织无创成像的最常见方法之一，主要分为四种模式：A型（Amplitude-mode）、B型（Brightness-mode，如B超）、M型（Motion-mode）、多普勒型（Doppler-mode，如彩超）。

气液固（骨骼）介质对超声图像的影响。图片来源于网络

常规的超声成像，首先要将凝胶（超声耦合剂）涂抹在患者的皮肤上，然后通过探头将声波发送到体内，回声信号返回探头并转换成高分辨率的心脏、肺和其他器官的图像。不过，超声成像用于医疗诊断需要训练有素的超声医师，使用庞大且专业的设备，图像质量高度依赖于操作者的技巧和经验。而且，由于一段时间后凝胶状的耦合剂会逐渐变干，图像质量逐渐下降，难以进行长时间持续监测，如果患者还需要不停移动，问题就更加明显。

近日，麻省理工学院（MIT）的赵选贺（Xuanhe Zhao）教授课题组在Science 杂志发表论文，报道了一种可穿戴的超声成像“贴纸”，就像创可贴一样便于使用，可以连续48小时进行内脏器官的超声成像。这种被称为“生物粘附超声（bioadhesive ultrasound, BAUS）”的装置由刚性压电探针阵列和声学透明的水凝胶弹性体组成，前者保证了每平方厘米400个的换能器密度，而后者柔软且易粘附在皮肤上，使用起来人体感觉更加舒适。

可穿戴超声成像装置。图片来源：Science ^[1]

这种BAUS装置的探头由压电元件阵列组成，通过环氧树脂封装，在长期使用中具有高度稳定性和可靠性。探头受底部和顶部电路控制，底部电路可增强超声波到皮肤的传输，而顶部电路则可以消除共振效应。超声探头通过柔软、抗脱水、具有生物粘附性的水凝胶弹性体耦合剂层牢固地粘在皮肤上。整个BAUS探针的厚度约3 mm，仅普通邮票大小，重量也只有10至40 g。

BAUS装置的设计思路和示意图。图片来源：Science

BAUS装置的耦合剂层采用壳聚糖-聚丙烯酰胺互穿网状聚合物，为了评估其粘附性能，研究者通过皮肤剥离试验测得水凝胶弹性体可以提供853 J•m^-2的界面韧性，可以说粘附的非常牢固。在空气中放置48小时后，界面韧性仅降低至756 J•m^-2。在1~10 MHz的频率下，耦合剂的衰减系数为0.036~0.131 dB/mm，与皮肤相匹配。在佩戴舒适性测试中，研究者对15名志愿者在多个身体部位进行了48小时粘附实验，几乎未出现不良反应（例如皮肤发痒、发红、干燥、刺激等）。虽然粘附牢固，但从边缘揭开可以将其轻松剥离，之后也不会在皮肤上留下任何残留物。

BAUS装置的粘附性和声学性能。图片来源：Science

身体运动会导致皮肤变形、血管移位，从而降低现有可穿戴超声装置的成像质量和稳定性。然而，BAUS装置可以在身体随机运动下实现连续成像，比如在颈部随意旋转的情况下对颈静脉和颈动脉进行48小时连续成像。从成像中可进一步分析血流速度、血压波形等数据，比如受试者慢跑0.5小时后，每个心跳周期的收缩峰血压比运动前下降得更快，这可能是由于运动诱导的颈动脉血管舒张所导致，这些数据可以用于心脏类疾病的监控和早期诊断。

BAUS装置对颈部血管连续成像。图片来源：Science

虽然肺部超声检查已被证明是诊断COVID及肺部病变的有效工具，但复杂的设备使得患者只能前往医院就诊，并得到不连续的肺部成像。相比之下，可穿戴BAUS系统可以在家中为新冠患者提供持续的监测。研究者将BAUS装置粘附在受试者右胸，并对肺部进行48小时连续成像实验，对这一应用前景进行了验证。类似地，BAUS装置也可以对心脏、胃等体内组织进行成像。比如，运动0.5小时后，左心室的大小明显增加，这或许可以为心肌病的研究提供更多实时且详尽的图像数据。再比如，受试者饮用450毫升果汁后，可以观察到胃部扩张，随后2小时，由于果汁被消化，胃部逐渐减小。

BAUS装置对肺、膈肌、心脏和胃的连续成像。图片来源：Science

“弹性体可以防止水凝胶脱水，声波才能有效穿透并提供内部器官的成像数据”，本文共同一作Xiaoyu Chen博士说。“可穿戴超声成像工具在未来临床诊断中具有巨大的潜力，然而，现有超声贴片的分辨率和持续时间相对较低，无法对深层器官进行成像”，本文一作Chonghe Wang说，“这种装置能够贴合皮肤，保持传感器的相对位置，从而生成更清晰、更精确的图像”。赵选贺教授也表示，“相信我们已经开启了可穿戴成像的新时代”。^[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs

Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou, Xuanhe Zhao

Science, 2022, 377, 517-523. DOI: 10.1126/science.abo2542

参考文献：

[1] Tan P. & Lu N., Seeing inside a body in motion. Science 2022, 377, 466-467. DOI: 10.1126/science.adc8732

[2] MIT engineers develop stickers that can see inside the body

https://news.mit.edu/2022/ultrasound-stickers-0728    

（本文由小希供稿）