这种超声波贴纸可感知深部内脏器官的僵硬变化

麻省理工学院的工程师开发了一种小型超声波贴纸，可以监测身体深处器官的僵硬程度。贴纸大约有邮票那么大，可以贴在皮肤上，旨在发现疾病的迹象，如肝肾衰竭和实体瘤的进展。

在今天发表在 《科学进展》杂志上的一项开放获取研究中，该团队报告说，传感器可以通过皮肤发送声波并进入身体，在那里声波从内脏反射并返回贴纸。反射波的模式可以被解读为器官刚度的标志，贴纸可以测量和跟踪。

“当一些器官发生疾病时，它们会随着时间的推移而变硬，”该论文的资深作者，麻省理工学院机械工程教授赵宣和说。“有了这种可穿戴贴纸，我们可以长时间持续监测僵硬的变化，这对于内脏器官衰竭的早期诊断至关重要。”

该团队已经证明，贴纸可以在48小时内持续监测器官的僵硬程度，并检测可能预示着疾病进展的细微变化。在初步实验中，研究人员发现粘性传感器可以检测大鼠急性肝衰竭的早期迹象。

工程师们正在努力调整该设计以用于人类。他们设想这种贴纸可以用于重症监护病房（ICU），在那里，低调的传感器可以持续监测从器官移植中恢复的患者。

“我们想象，在肝脏或肾脏移植后，我们可以将这个贴纸贴在患者身上，并观察器官的刚度如何随数天变化，”主要作者Hsiao-Chuan Liu说。“如果有任何急性肝衰竭的早期诊断，医生可以立即采取行动，而不是等到病情变得严重。刘在研究时是麻省理工学院的访问科学家，目前是南加州大学的助理教授。

该研究的麻省理工学院合著者包括Xiaoyu Chen和Chonghe Wang，以及南加州大学的合作者。

感应晃动

就像我们的肌肉一样，我们身体的组织和器官会随着年龄的增长而变硬。对于某些疾病，僵硬的器官会变得更加明显，预示着潜在的健康急剧下降。临床医生目前有办法使用超声弹性成像来测量肾脏和肝脏等器官的硬度 – 一种类似于超声成像的技术，其中技术人员在皮肤上操纵手持探头或魔杖。探头通过身体发送声波，使内脏器官轻微振动并发出波作为回报。探头感应器官的感应振动，振动的模式可以转化为器官的摇晃或僵硬程度。

超声弹性成像通常用于 ICU 中，以监测最近接受过器官移植的患者。技术人员在手术后不久定期检查患者，以快速探测新器官并寻找僵硬和潜在的急性衰竭或排斥反应的迹象。

“器官移植后，ICU的前72小时最关键，”另一位资深作者，南加州大学教授Qifa 周说。“使用传统的超声波，你需要将探头放在身体上。但从长远来看，你不能持续这样做。医生可能会错过一个关键时刻，意识到器官衰竭为时已晚。

该团队意识到，他们可能能够提供一种更连续的可穿戴替代品。他们的解决方案扩展了他们之前开发的用于对深层组织和器官进行成像的超声贴纸。

“我们的成像贴纸拾取了纵波，而这次我们想拾取横波，这将告诉你器官的刚性，”赵解释道。

现有的超声弹力成像探头测量横波或器官响应声波脉冲的振动。剪切波在器官中传播得越快，器官被解释为越硬。（想想水气球与足球相比的反弹。

该团队希望将超声弹性成像小型化，以适合邮票大小的贴纸。他们还旨在保持与商用手持式探头相同的灵敏度，这些探头通常包含约128个压电换能器，每个压电换能器将入射电场转换为传出声波。

“我们使用先进的制造技术从高质量的压电材料中切割出小型换能器，使我们能够设计出小型超声贴纸，”周说。

研究人员精确地制造了128个微型换能器，并将其集成到一个25毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部衬上了一种由水凝胶制成的粘合剂，这是一种粘性和弹性材料，是水和聚合物的混合物，它允许声波几乎毫无损失地进出设备。

在初步实验中，研究小组在大鼠身上测试了刚度感应贴纸。他们发现，贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集的数据中，研究人员观察到急性肝衰竭的明确和早期迹象，后来他们用组织样本证实了这一点。

“一旦肝脏衰竭，器官的硬度将增加数倍，”刘指出。

“你可以从一个像煮熟的鸡蛋一样摇摇晃晃的健康肝脏，变成一个更像煮熟的鸡蛋的患病肝脏，”赵补充道。“这种贴纸可以捕捉到身体深处的这些差异，并在器官衰竭发生时发出警报。

该团队正在与临床医生合作，调整贴纸，用于ICU器官移植恢复的患者。在这种情况下，他们预计贴纸目前的设计不会有太大变化，因为它可以粘在患者的皮肤上，并且它发送和接收的任何声波都可以由连接到贴纸的电子设备传递和收集，类似于医生办公室的电极和心电图机。

“这个系统的真正美妙之处在于，由于它现在是可穿戴的，它可以随着时间的推移实现低重量，顺应性和持续的监测，”哈佛医学院医学副教授兼布莱根妇女医院副生物工程师Shrike Zhang说，他没有参与这项研究。“这不仅可以让患者减少痛苦，同时实现对疾病进展的长期、几乎实时的监测，还可以让训练有素的医院人员腾出时间来完成其他重要任务。

研究人员还希望将贴纸加工成一个更便携的、自封闭的版本，其中所有伴随的电子设备和处理装置都被小型化，以适应一个稍大的补丁。然后，他们设想患者可以在家中佩戴贴纸，以在较长时间内持续监测病情，例如实体瘤的进展，众所周知，实体瘤会随着严重程度而变硬。

“我们相信这是一个挽救生命的技术平台，”赵说。“在未来，我们认为人们可以在身体上贴上一些贴纸来测量许多生命信号，并成像和跟踪身体主要器官的健康状况。

这项工作部分得到了美国国立卫生研究院的支持。