利用超聲波檢查人體組織的生物力學特性，可以幫助檢測并管理病理生理狀況，跟蹤病變的演變，評估康復的進展。

據麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）雅各布斯工程學院納米工程教授徐升領導的研究團隊開發了一種可拉伸的超聲換能器陣列，能夠以0.5 mm的空間分辨率對人體皮膚表面以下深至4 cm的組織進行連續、非侵入性3D成像。這種新方法提高了皮膚穿透深度，有望為當前的人體組織檢查方案提供一種非侵入性的長期替代技術。

這項研究成果已經以“Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue”為題發表于近日出版的Nature Biomedical Engineering期刊。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41551-023-01038-w

“我們發明了一種能夠連續評估人體組織硬度的可穿戴傳感器件。”徐升教授研究小組的博士后研究員、論文共同作者Hongjie Hu說，“值得注意的是，我們將一組超聲換能器陣列集成到柔軟的彈性基體中，并利用波浪形可拉伸電極連接這些換能器，使其能夠貼合人體皮膚，從而實現對組織硬度的連續評估。”

這種超聲彈性成像監測系統可以為深層組織提供連續、非侵入性的3D力學特性映射，具有多種重要的潛在應用：

- 在醫學研究中，病理組織的連續檢測數據，可以提供有關疾病進展的關鍵信息，例如腫瘤通常會導致細胞變硬。

- 監測肌肉、肌腱和韌帶，有助于診斷和治療運動損傷。

- 目前對肝臟和心血管疾病的治療，以及一些化療藥物，可能會影響組織硬度。連續彈性成像可以幫助評估這些藥物的療效和給藥情況，有助于開發新的治療方法。

除了監測腫瘤組織，這項超聲成像技術還可以應用于其它場景：

- 監測肝纖維化和肝硬化。通過這項技術評估肝纖維化的嚴重程度，醫療人員可以準確跟蹤疾病的進展，確定最合適的治療方案。

- 評估肌肉骨骼疾病，例如肌炎、網球肘和腕管綜合征等。通過監測組織硬度的變化，這項技術可以為這些疾病的進展提供有價值的洞察，使醫生能夠為患者制定個性化的治療計劃。

- 心肌缺血的診斷和監測。通過監測動脈壁彈性，醫生可以識別病情的早期跡象，并及時采取干預措施，防止進一步的損傷。

徐升教授實驗室：可穿戴超聲領域的領導者

得益于技術的不斷進步以及臨床醫生過去幾十年來的辛勤工作，超聲成像技術受到了業界的持續關注。徐升教授實驗室被認為是該領域的早期開拓者和領導者，尤其是在可穿戴超聲領域。該實驗室致力于開發穩定的便攜式器件，使其可拉伸、可穿戴，推動了醫療監測領域的變革。

可穿戴超聲貼片可以實現傳統超聲成像技術的檢測功能，還突破了傳統超聲成像技術的局限性，例如一次性檢測，僅能在醫院內檢測，并且還需要專業人員操作等。

“我們的發明使患者能夠隨時隨地的連續監測自己的健康狀況。”Hu表示。

這有助于減少誤診和死亡，并能夠通過提供一種非侵入性的低成本替代診斷方案來大幅降低醫療費用。

“這一波新的可穿戴超聲成像技術正在推動醫療監測領域的變革，改善患者的預后，降低醫療成本，推動即時診斷的廣泛應用。”徐升教授研究小組的交流生、該研究合著者Yuxiang Ma說，“隨著這項技術的進一步完善，我們有機會在醫學成像和醫療保健監測領域看到更顯著的進展。”

這項技術如何實現

其超聲換能器陣列貼合人體皮膚并與之聲學耦合，從而實現經磁共振彈性成像驗證的精確彈性成像。

在測試中，研究人員利用該器件測繪了體外組織楊氏模量的3D分布圖，檢測了志愿者肌肉在酸痛開始前的微觀結構損傷，并監測了理療過程中肌肉損傷的動態恢復過程。

可拉伸的超聲換能器陣列工作原理、設計和制造

“我們選擇3 MHz作為超聲換能器的中心頻率。”Hu解釋稱，“中心頻率越高，空間分辨率越高，但是超聲波在組織中的衰減越強，因此選擇3 MHz既可以滿足高空間分辨率的要求，也能滿足極好的人體組織穿透能力。”

該器件由一個16 x 16超聲換能器陣列組成。每個單元由1-3復合元件和由銀-環氧樹脂復合材料制成的背襯層組成，該背襯層旨在吸收過度振動，拓寬帶寬，并提高軸向分辨率。

“相鄰單元中心之間的距離我們選擇了800?μm，這足以獲得高質量的圖像，最大限度地減少來自相鄰單元的干擾，并使整個器件具有良好的可拉伸性。”該研究小組的另一位博士后研究員Xiaoxiang Gao說。

器件參數：

尺寸：約23 mm x 20 mm x 0.8 mm
雙軸拉伸性：40%
穿透深度：大于4 cm
最高信噪比：28.4 dB
空間分辨率：0.5 mm
對比度分辨率：1.74 dB

生物樣本的驗證和連續監測

克服挑戰

這種技術需要通過超聲波記錄樣本中散射粒子的運動，并基于歸一化互相關算法計算它們的位移場。散射粒子的尺寸非常小，導致反射信號微弱。要捕捉如此微弱的信號，需要非常靈敏的技術。

現有的制造方法涉及高溫粘合，這可能會對壓電材料中的環氧樹脂造成嚴重的、不可逆的熱損傷。結果會造成換能器元件的靈敏度顯著降低。

“為了克服這些挑戰，我們開發了一種低溫粘合方法。”Hu介紹說，“我們用導電環氧樹脂代替焊膏，使粘合可以在室溫下完成，而不會對元件造成任何損壞。此外，我們用相干平面波復合模式取代單一平面波傳輸模式，這提供了更多的能量來提高整個樣本的信號強度。通過這些策略，我們提高了器件的靈敏度，使其能夠很好地捕捉來自散射粒子的微弱信號。”

進一步完善，實現商業化

賓夕法尼亞大學博士后研究員、該研究合著者Dawei Song表述：“可以在這款器件上安裝一層已知模量的彈性體，即所謂的校準層，以進一步獲得組織模量的定量絕對值。這種方法將使我們能夠獲得有關組織生物力學特性的更完整信息，從而進一步提高超聲波設備的診斷能力。”

人類遲發性肌肉酸痛的多點定位和連續監測

此外，還可以采用先進的光刻、拾放以及劃片技術來進一步優化陣列設計和制造，從而減少間距、擴大孔徑，以實現更高的空間分辨率和更寬的超聲窗口。

Gao表示：“我們還將與醫生合作在診所探索潛在的實際應用。這款器件在高危人群密切監測方面展示了巨大潛力，以便在緊急時刻進行及時干預。”

審核編輯：劉清