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全新超声波贴片可实现连续48小时成像

来源:医疗设备商情     发布时间:2022-08-15
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超声波成像是一种安全、无创的了解身体运作情况的方式,可为临床医生提供患者内部器官的实时图像。为了捕捉这些图像,训练有素的技术人员操纵超声棒和探头将声波引导到患者体内。这些超声波会反射回来,获得心脏、肺和其他内部器官的高分辨率图像。


目前,超声波成像需要一些只有在医院才有的庞大的专业设备。但来自MIT的工程师们开发出一种可穿戴的超声波贴片,可能会让超声波成像技术变得像创可贴一样可穿戴并易于使用。该研究的论文近日发表在顶级科学期刊《Science》上,工程师们在该文章中展示了一种全新的超声波贴片设计。这种超声波贴片只有邮票大小,可以贴在皮肤上,连续48小时实现超声波成像。


研究人员将这些贴片贴在志愿者身上,并展示了这些设备生成的血管和心脏、肺、胃等内部器官的实时高分辨率图像。当志愿者进行各种活动(包括坐、站、慢跑和骑自行车)时,这些贴片仍能保持很强的粘附力,并捕捉到内部器官的变化。


该超声波贴片贴片大概只有邮票大小,但可以贴在皮肤上并连续48小时成像。

图片版权: Felice Frankel


当前的设计需要把贴片连接到能将反射声波转换成图像的仪器上。研究人员指出,即使以目前的形式,这种贴片也可以立即投入应用,例如将其用于医院的病人,类似心脏监测心电图贴片。在不需要技术人员的情况下长时间固定探头,以进行内部器官连续成像。


该研究团队正在努力实现下一个目标——无线操作。这样,该超声波贴片就可以制成可穿戴的成像产品,患者可以从医院带回家,甚至可以在药店购买。


来自MIT机械工程和土木与环境工程的赵选贺(Xuanhe Zhao)教授是该研究的通讯作者。他表示:“如果可以实现无线操作,我们便可将这些贴片贴在身体的不同部位,并与手机进行连接,然后AI算法会根据需要来分析贴片产生的图像。”


该研究的主要作者还包括来自MIT的Chonghe Wang和Xiaoyu Chen,以及共同作者Liu Wang、Mitsutoshi Makihata、Tao Zhao,以及来自梅奥诊所的Hsiao-Chuan Liu。

棘手的难题


为了使用超声波成像,需要先将液体凝胶涂抹在患者的皮肤上,从而传播超声波。然后将探头或换能器压在凝胶上,将声波发送到体内,声波再从体内反射回探头,反射的信号被转换为视觉图像。


对于需要长时间成像的患者,一些医院提供固定在机械臂上的探头,可以将换能器固定在适当的位置,而不会疲劳,但液体凝胶会随着时间的推移而流走并变干,这样会中断成像。


近年来,研究人员探索了可伸缩超声探头的设计,该探头可提供便携的、低分辨率的内部器官成像。这些设计使用了灵活的微型超声换能器阵列,这样的设备可以伸缩,而且会贴合患者的身体。但这些实验设计产生的是较低分辨率的图像,部分原因是因为它们的可伸缩性——在随着身体一起移动时,传感器与身体会相互移动位置,从而扭曲了产生的图像。


“可穿戴超声成像工具在未来的临床诊断中具有巨大的潜力。然而,现有的超声贴片的分辨率和成像持续时间相对较低,而且无法对内部器官成像。”Chonghe Wang表示。

获得内部器官的高分辨率图像


MIT研究小组的新型超声波贴片将弹性粘合剂层与刚性的换能器阵列配对,可以在更长的时间内产生更高分辨率的图像。“这种组合使贴片能够贴合皮肤,同时仍能保持传感器的相对位置,以生成更清晰、更精确的图像。”Chonghe Wang解释说。


该新型超声波贴片将具有弹性的粘合剂层与刚性换能器阵列配对。
图片版权: Xuanhe Zhao, et al


该贴片的粘合剂层是由两层薄薄的弹性体制成,中间包裹着一层固体水凝胶。这种水凝胶主要是一种水基材料,可以轻松地传播声波。与传统的超声波凝胶不同,该研究小组的水凝胶具有弹性和可伸缩性。


“这种弹性体可以防止水凝胶脱水,”MIT的博士后Xiaoyu Chen说,“只有当水凝胶高度含水时,声波才能有效穿透,并提供内部器官的高分辨率图像。”


底部的弹性体层被设计用于粘附皮肤,而顶层则粘附在该团队设计和制造的一个刚性换能器阵列上。整个超声波贴片的面积约为2平方厘米,厚度约为3毫米,大约等于一张邮票的面积。


研究人员将这种超声波贴片贴在健康的志愿者身上,进行了一系列测试。这些志愿者将贴片贴在身体的各个部位,包括颈部、胸部、腹部和手臂。这些贴片一直附着在他们的皮肤上,并在长达48小时内产生清晰的身体内部结构的图像。在此期间,志愿者们在实验室里进行了各种活动,从坐姿、站姿到慢跑、骑自行车和举重。


从贴片产生的图像中,研究团队能够观察到坐着和站着时主要血管直径的变化。这些贴片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。研究人员还能看到志愿者在喝果汁时胃发生膨胀然后又缩回去排出它。当一些志愿者举重时,该团队可以检测到内部肌肉的成像变得明亮,这表明肌肉出现了暂时的微损伤。


“通过成像,我们可能可以在过度健身之前捕捉到锻炼的瞬间,从而在肌肉变得酸痛之前停下来,”Chen说,“我们不知道那一刻何时到来,但现在我们能提供专家可以解释的成像数据。”


该团队正在努力使贴片以无线方式运行,并开发基于人工智能(AI)的软件算法,以更好地解释和诊断贴片产生的图像。赵选贺设想未来消费者或者患者可以方便地买到这种贴片,不仅可以用来监测各种内脏器官,还可以监测肿瘤的进展以及子宫内胎儿的发育情况。


“我想象将来可以有一盒这样的贴片,每个贴片都设计用于贴在身体的不同位置,”赵选贺说,“我们相信这代表了医学成像和可穿戴设备的突破。”

来源:译自MIT News,作者:Jennifer Chu


来源:荣格-《医疗设备商情》

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