导 语
近日，麻省理工学院的研究人员设计了一种贴片形式的可穿戴超声波监视器，可以对体内器官进行成像，而无需超声波操作员或使用凝胶。该成果发表于《Nature Electronics》。
1、研究背景
随着材料制造技术和机械工程的进步，现已出现高性能的压电系统，这些系统具有可塑性，能够连续地对信号进行实时监测和解码，广泛应用于各种生物医学和医疗保健领域。然而，尽管超声波广泛应用于临床实践，但目前的可塑压电超声阵列在高超声图像质量和机械拉伸性等方面仍面临挑战。此外，大多数便携式超声设备仍然采用刚性的平面配置，导致与弯曲的身体表面接触不佳。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
研究人员开发了一种可塑性超声膀胱贴片（conformable ultrasound bladder patch, cUSB-patch），该贴片具有机械适应性，能够实时监测膀胱容量。通过使用掺杂了Sm/La的PMN-PT陶瓷材料，研究人员制造了一个工作频率为2-5 MHz的64元素相控阵换能器。该贴片能够在两个方向上同时成图像，而无需手动旋转，可以在深度达到15厘米的地方对尿液膀胱进行成像，轴向分辨率小于0.6毫米。理论和体外实验研究证实，无论是否使用超声波凝胶，具有五个该阵列的cUSB-Patch可以在不同的体模（平面和曲面）上，都能提供准确可重复的成像。
图1：相控阵和cUSB-Patch概述
a) 手持式探头在人体下腹部进行膀胱成像的操作示意图。为了在标准临床实践中获得膀胱的全面视图，手持式探头必须通过旋转超声探头在两个方向（横向平面和矢状平面）进行成像。b) 人体下腹部用于膀胱成像的 cUSB -Patch示意图。无需手动旋转，cUSB-Patch 可以同时获取两个方向的图像。c) 下腹部 cUSB -Patch的横截面示意图。相控阵可以定位膀胱的前壁和后壁，并使用多个超声波束覆盖膀胱的整个视场。d) – f) cUSB-Patch 自然灵活的外形。g) 单个超声相控阵的示意图，标记了关键组件。一维线性高性能压电元件嵌入环氧树脂基体中，具有共享的底部电极和独立的顶部电极。定制的柔性 PCB 电缆与电极粘合。背衬层 (BL) 和两个匹配层 (ML) 分别粘合在底部和顶部。h) 带有柔性电缆的单相控阵的光学图像。i) 带有电极的阵列顶视图的光学图像。顶部电极（64 条迹线）与柔性电缆上的迹线完全对齐。j) 阵列横截面的光学图像，包括填充环氧树脂的切割 La/Sm-PMN-PT 陶瓷元件、背衬层和两个匹配层。比例尺：d)–f), h) 1 厘米；i) 2 毫米；j) 200 微米。（图片来自原文）
初步的临床研究证实了cUSB-Patch中心传感器可以可靠地定位膀胱的初始中心位置，而其五个阵列可以从多个角度对膀胱进行成像，实现实时成像和检测，无需移动或旋转设备。cUSB-Patch无需改动即可对其他深部组织进行成像，通过简单调整设计参数，也可以对浅层组织进行成像。所用可拉伸基材具备与人体表皮相似的弹性模量，能够与人体无缝粘附。通过使用声学薄膜，cUSB-Patch可以在无需超声波凝胶的情况下工作。
图2：C5-2v 商用探头和 cUSB-Patch 在椭圆形体模上进行的实时超声成像
a), b) 沿垂直方向涂有超声凝胶的椭圆形体模顶面上的 C5-2v 探头的光学照片a) 和图像b)。c), d) C5-2v探头在椭圆形体模顶面上沿水平方向涂有超声凝胶的光学照片c) 和图像d)。e) 椭圆形体模上 cUSB-Patch 的光学照片。f) 嵌入三维物体的椭圆形体模俯视示意图。五个黑色方块表示每个阵列的位置，每个黑色方块中的黑色细线图案表示 64 个元素的方向。橙色虚线和蓝色虚线分别表示沿垂直和水平方向的成像。g),h) 椭圆形模型上的二维重建图像。橙色虚线表示沿垂直方向构建的图像，蓝色虚线表示沿水平方向构建的图像。在所有超声图像中，白色虚线表示 FOV。红色虚线圆圈表示球形物体的平面视图，黄色虚线三角形表示四边形物体的平面视图，绿色虚线矩形表示矩形物体的平面视图。用于 cUSB-Patch 成像的 US-18 基本超声体模未使用超声凝胶。比例尺：a), c), e), f) 1 厘米；i) 2 毫米；j) 200微米。（图片来自原文）
3、研究意义
与当前临床超声探头相比，该设备具有更大的视野，且无需手动操作即可实现完整器官的成像。在无需凝胶的前提下，具备与临床所用探头一致的图像质量，且在临床研究期间可以轻松地进行多次拆卸和连接。该系统的其他优点包括可重复使用性、无需凝胶的高质量成像、无需旋转和按压的操作独立性、易于清洁、适用于家庭护理环境。其未来可能的临床应用包括诊断和量化急性尿液滞留，长期监测高风险患者，以及作为瘫痪患者的辅助工具。
参考文献：Zhang, L., Marcus, C., Lin, D. et al. A conformable phased-array ultrasound patch for bladder volume monitoring. Nat Electron (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01068-x
