可拉伸的超声换能器阵列实现深层组织3D成像

利用超声波检查人体组织的生物力学特性，可以帮助检测并管理病理生理状况，跟踪病变的演变，评估康复的进展。

据麦姆斯咨询介绍，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）雅各布斯工程学院纳米工程教授徐升领导的研究团队开发了一种可拉伸的超声换能器阵列，能够以0.5 mm的空间分辨率对人体皮肤表面以下深至4 cm的组织进行连续、非侵入性3D成像。这种新方法提高了皮肤穿透深度，有望为当前的人体组织检查方案提供一种非侵入性的长期替代技术。

这项研究成果已经以“Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue”为题发表于近日出版的Nature Biomedical Engineering期刊。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-023-01038-w

“我们发明了一种能够连续评估人体组织硬度的可穿戴传感器件。”徐升教授研究小组的博士后研究员、论文共同作者Hongjie Hu说，“值得注意的是，我们将一组超声换能器阵列集成到柔软的弹性基体中，并利用波浪形可拉伸电极连接这些换能器，使其能够贴合人体皮肤，从而实现对组织硬度的连续评估。”

这种超声弹性成像监测系统可以为深层组织提供连续、非侵入性的3D力学特性映射，具有多种重要的潜在应用：

- 在医学研究中，病理组织的连续检测数据，可以提供有关疾病进展的关键信息，例如肿瘤通常会导致细胞变硬。

- 监测肌肉、肌腱和韧带，有助于诊断和治疗运动损伤。

- 目前对肝脏和心血管疾病的治疗，以及一些化疗药物，可能会影响组织硬度。连续弹性成像可以帮助评估这些药物的疗效和给药情况，有助于开发新的治疗方法。

除了监测肿瘤组织，这项超声成像技术还可以应用于其它场景：

- 监测肝纤维化和肝硬化。通过这项技术评估肝纤维化的严重程度，医疗人员可以准确跟踪疾病的进展，确定最合适的治疗方案。

- 评估肌肉骨骼疾病，例如肌炎、网球肘和腕管综合征等。通过监测组织硬度的变化，这项技术可以为这些疾病的进展提供有价值的洞察，使医生能够为患者制定个性化的治疗计划。

- 心肌缺血的诊断和监测。通过监测动脉壁弹性，医生可以识别病情的早期迹象，并及时采取干预措施，防止进一步的损伤。

徐升教授实验室：可穿戴超声领域的领导者

得益于技术的不断进步以及临床医生过去几十年来的辛勤工作，超声成像技术受到了业界的持续关注。徐升教授实验室被认为是该领域的早期开拓者和领导者，尤其是在可穿戴超声领域。该实验室致力于开发稳定的便携式器件，使其可拉伸、可穿戴，推动了医疗监测领域的变革。

可穿戴超声贴片可以实现传统超声成像技术的检测功能，还突破了传统超声成像技术的局限性，例如一次性检测，仅能在医院内检测，并且还需要专业人员操作等。

“我们的发明使患者能够随时随地的连续监测自己的健康状况。”Hu表示。

这有助于减少误诊和死亡，并能够通过提供一种非侵入性的低成本替代诊断方案来大幅降低医疗费用。

“这一波新的可穿戴超声成像技术正在推动医疗监测领域的变革，改善患者的预后，降低医疗成本，推动即时诊断的广泛应用。”徐升教授研究小组的交流生、该研究合著者Yuxiang Ma说，“随着这项技术的进一步完善，我们有机会在医学成像和医疗保健监测领域看到更显著的进展。”

这项技术如何实现

其超声换能器阵列贴合人体皮肤并与之声学耦合，从而实现经磁共振弹性成像验证的精确弹性成像。

在测试中，研究人员利用该器件测绘了体外组织杨氏模量的3D分布图，检测了志愿者肌肉在酸痛开始前的微观结构损伤，并监测了理疗过程中肌肉损伤的动态恢复过程。

可拉伸的超声换能器阵列工作原理、设计和制造

“我们选择3 MHz作为超声换能器的中心频率。”Hu解释称，“中心频率越高，空间分辨率越高，但是超声波在组织中的衰减越强，因此选择3 MHz既可以满足高空间分辨率的要求，也能满足极好的人体组织穿透能力。”

该器件由一个16 x 16超声换能器阵列组成。每个单元由1-3复合元件和由银-环氧树脂复合材料制成的背衬层组成，该背衬层旨在吸收过度振动，拓宽带宽，并提高轴向分辨率。

“相邻单元中心之间的距离我们选择了800 μm，这足以获得高质量的图像，最大限度地减少来自相邻单元的干扰，并使整个器件具有良好的可拉伸性。”该研究小组的另一位博士后研究员Xiaoxiang Gao说。

器件参数：

尺寸：约23 mm x 20 mm x 0.8 mm
双轴拉伸性：40%
穿透深度：大于4 cm
最高信噪比：28.4 dB
空间分辨率：0.5 mm
对比度分辨率：1.74 dB

生物样本的验证和连续监测

克服挑战

这种技术需要通过超声波记录样本中散射粒子的运动，并基于归一化互相关算法计算它们的位移场。散射粒子的尺寸非常小，导致反射信号微弱。要捕捉如此微弱的信号，需要非常灵敏的技术。

现有的制造方法涉及高温粘合，这可能会对压电材料中的环氧树脂造成严重的、不可逆的热损伤。结果会造成换能器元件的灵敏度显著降低。

“为了克服这些挑战，我们开发了一种低温粘合方法。”Hu介绍说，“我们用导电环氧树脂代替焊膏，使粘合可以在室温下完成，而不会对元件造成任何损坏。此外，我们用相干平面波复合模式取代单一平面波传输模式，这提供了更多的能量来提高整个样本的信号强度。通过这些策略，我们提高了器件的灵敏度，使其能够很好地捕捉来自散射粒子的微弱信号。”

进一步完善，实现商业化

宾夕法尼亚大学博士后研究员、该研究合著者Dawei Song表述：“可以在这款器件上安装一层已知模量的弹性体，即所谓的校准层，以进一步获得组织模量的定量绝对值。这种方法将使我们能够获得有关组织生物力学特性的更完整信息，从而进一步提高超声波设备的诊断能力。”

人类迟发性肌肉酸痛的多点定位和连续监测

此外，还可以采用先进的光刻、拾放以及划片技术来进一步优化阵列设计和制造，从而减少间距、扩大孔径，以实现更高的空间分辨率和更宽的超声窗口。

Gao表示：“我们还将与医生合作在诊所探索潜在的实际应用。这款器件在高危人群密切监测方面展示了巨大潜力，以便在紧急时刻进行及时干预。”

审核编辑：刘清