变形超声贴纸可检测术后并发症

由西北大学和圣路易斯华盛顿大学医学院领导的研究人员开发了一种新的、首创的贴纸，使临床医生能够使用简单的超声设备监测患者器官和深层组织的健康状况。

当附着在器官上时，柔软、微小的贴纸会随着身体 pH 值的变化而改变形状，这可以作为术后并发症（如吻合口瘘）的早期预警信号。然后，临床医生可以通过超声成像实时查看这些形状变化。

目前，没有现有的方法可以可靠且无创地检测吻合口瘘——当胃肠道液体从消化系统逸出时，就会发生危及生命的疾病。通过以高灵敏度和高特异性揭示这些液体的泄漏，非侵入性贴纸可以比以前更早地进行干预。然后，当患者完全康复时，生物相容性、可生物吸收的贴纸就会简单地溶解掉——绕过手术提取的需要。

该研究将于3月8日发表在《科学》杂志上。该论文概述了对小型和大型动物模型的评估，以验证三种不同类型的贴纸，这些贴纸由水凝胶材料制成，用于检测胃、小肠和胰腺的吻合口瘘。

这项新技术有可能彻底改变我们在手术后监测患者的方式。

“这些泄漏可能来自组织中的细微穿孔，通常是手术切口两侧之间难以察觉的间隙，”西北大学的John A. Rogers说，他与博士后研究员Jiaqi Liu一起领导了设备开发。“这些类型的缺陷不能用超声成像工具直接看到。即使是最复杂的 CT 和 MRI 扫描，它们也无法检测到。我们开发了一种工程方法和一套先进的材料，以解决患者监护中这一未满足的需求。该技术有可能消除风险，降低成本，并扩大快速、非侵入性评估的可及性，以改善患者的治疗效果。

“目前，没有任何好的方法可以检测这些泄漏，”胃肠道外科医生Chet Hammill博士说，他与合作者Matthew MacEwan博士一起领导了华盛顿大学的临床评估和动物模型研究，他是神经外科助理教授。“腹部的大多数手术 – 当你必须移除某些东西并将其缝合在一起时 – 都有渗漏的风险。我们无法完全预防这些并发症，但也许我们可以更早地发现它们以尽量减少伤害。即使我们可以提前 24 或 48 小时检测到泄漏，我们也可以在患者真正生病之前发现并发症。这项新技术有可能彻底改变我们在手术后监测患者的方式。

作为生物电子学的先驱，罗杰斯是材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎里教授，曾在麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院任职。他还领导着奎里·辛普森生物电子研究所。在进行这项研究时，Hammill是华盛顿大学的外科副教授。罗杰斯、哈米尔和麦克尤恩与北京清华大学副教授王鹤玲共同领导了这项研究。

早起的重要性

所有胃肠道手术都有吻合口瘘的风险。根据Hammill的说法，如果泄漏没有及早发现，患者有30%的机会在医院度过长达六个月的时间，有20%的几率死亡。对于从胰腺手术中恢复的患者来说，风险甚至更高。Hammill说，令人震惊的是，40-60%的患者在胰腺相关手术后会出现并发症。

最大的问题是没有办法预测谁会出现这种并发症。而且，当患者出现症状时，他们已经病得很重了。

“患者可能有一些与泄漏相关的模糊症状，”Hammill说。“但他们刚刚经历了大手术，所以很难知道症状是否异常。如果我们能及早发现它，那么我们就可以排出液体。如果我们稍后发现它，患者可能会患上败血症并最终进入 ICU。对于胰腺癌患者来说，他们可能只有六个月的生命。现在，他们有一半的时间在医院度过。

为了改善患者的治疗效果，Hammill 联系了罗杰斯，罗杰斯的实验室专门开发工程解决方案以应对健康挑战。罗杰斯的团队已经开发了一套生物可吸收电子设备作为临时植入物，包括溶解起搏器、神经刺激器和植入式止痛药。

生物可吸收系统激起了Hammill的兴趣。发生吻合口瘘的最大几率发生在手术后三天或两周。

“我们希望监测患者的并发症约30天，”Hammill说。“拥有一台持续一个月然后消失的设备听起来很理想。”

增强超声

罗杰斯推测，他的团队可能能够增强当前的成像方法，而不是开发新的成像系统，使他们能够“看到”原本不可见的特征。超声技术已经具有许多优点：价格低廉，易于获得，不需要笨重的设备，并且不会使患者暴露在辐射或其他风险中。

但是，当然，有一个主要缺点。超声波技术使用声波来确定器官的位置、形状和结构，无法可靠地区分各种体液。例如，血液和胃液看起来是一样的。

“泄漏流体的声学特性与天然存在的生物流体和周围组织的声学特性非常相似，”罗杰斯说。“然而，临床需求需要化学特异性，超出了在超声图像中产生对比度的基本机制的范围。

最终，罗杰斯的团队设计了一种方法来克服这一限制，即使用设计为超声成像可读取的微型传感器设备。具体来说，他们用一种柔韧的、化学反应性的软水凝胶材料制造了一种小型的组织粘合剂贴纸。然后，他们将微小的、薄如纸的金属盘嵌入到这种水凝胶的薄层中。当贴纸遇到泄漏的液体时，它会膨胀。

让看不见的东西看得见

当水凝胶随着pH值的变化而膨胀时，金属盘会分开。然后，超声波可以观察到这些细微的位置变化。

“由于金属盘的声学特性与周围组织的声学特性有很大不同，因此它们在超声图像中提供了非常强烈的对比度，”罗杰斯说。“通过这种方式，我们基本上可以’标记’一个器官进行监测。 

由于监测需求仅在术后恢复期间延伸，因此罗杰斯团队用生物可吸收材料设计了这些贴纸。在不再需要它们之后，它们只是在体内自然无害地消失。

计算合作者黄永刚（Yonggang Huang）是Jan and Marcia Achenbach机械工程教授，也是麦考密克大学土木与环境工程教授，他使用声学和机械仿真技术来帮助指导材料和设备布局的优化选择，以确保超声图像的高可见性，即使是位于身体深处的贴纸。

“CT和MRI扫描只是拍一张照片，”Hammill补充道。“液体可能会出现在CT图像中，但手术后总是有液体积聚。我们不知道它实际上是渗漏还是正常的腹腔积液。我们从新补丁中获得的信息更有价值。如果我们能看到pH值发生了变化，那么我们就知道有些事情不对劲。

罗杰斯团队制作了不同尺寸的贴纸。最大的直径为 12 毫米，而最小的直径仅为 4 毫米。考虑到每个金属盘的尺寸都在1毫米或更小，罗杰斯意识到放射科医生可能很难手动评估图像。为了克服这一挑战，他的团队还开发了可以自动分析图像的软件，以高精度地检测磁盘的任何相对运动。

提高生活质量

为了评估新贴纸的功效，Hammill的团队在小型和大型动物模型中对其进行了测试。在研究中，超声成像始终如一地检测到变形贴纸的变化 – 即使它在组织内部10厘米深处。当暴露于pH值异常高或低的液体中时，贴纸会在几分钟内改变其形状。

罗杰斯和哈米尔认为，这种装置可以在外科手术结束时植入。或者，由于它小巧灵活，该设备还可以安装在注射器内（卷起），临床医生可以使用注射器将标签注射到体内。

“这些标签非常小，又薄又软，外科医生可以很容易地将它们的集合放在不同的位置，”罗杰斯说。“例如，如果一个切口延伸了几厘米长，则可以沿着该部位的长度放置这些标签的阵列，以绘制pH值图，以精确定位泄漏的位置。

“这显然是一个早期的原型，但我可以想象最终的产品，在手术结束时，你只需放置这些小补丁进行监测，”Hammill说。“它完成了它的工作，然后完全消失了。这可能会对患者、他们的康复时间以及最终的生活质量产生巨大影响。

接下来，罗杰斯和他的团队正在探索类似的标签，这些标签可以检测内部出血或温度变化。“检测pH值的变化是一个很好的起点，”罗杰斯说。“但这个平台可以通过使用水凝胶扩展到其他类型的应用，这些水凝胶可以响应局部化学的其他变化，或温度或其他临床相关的特性。

这项名为“用于深层组织稳态超声监测的生物可吸收形状适应结构”的研究得到了美国国家科学基金会、美国国家癌症研究所和奎里-辛普森生物电子研究所的支持。

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