MIT工程师开发出可以看到身体内部的超声波贴纸

诸平

MIT engineers designed an adhesive patch that produces ultrasound images of the body. The stamp-sized device sticks to skin and can provide continuous ultrasound imaging of internal organs for 48 hours. Credit: Felice Frankel

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年7月30日提供的消息，MIT工程师开发出可以看到身体内部的超声波（Ultrasound）贴纸（MIT Engineers Develop Ultrasound Stickers That Can See Inside the Body）。

费利斯·弗兰克尔提供的图片就是MIT工程师设计的一种贴片，可以产生身体的超声图像。这种邮票大小的设备贴在皮肤上，可以提供48小时心脏、肺和其他内脏器官的连续超声清晰成像。

当临床医生需要患者内脏器官的实时图像时，他们通常会求助于超声成像，以获得一个安全且无创的观察身体运作的窗口。为了捕捉这些有洞察力的图像，训练有素的技术人员操纵超声波棒和探头将声波引导到体内。这些波反射回来并用于产生患者心脏、肺和其他深层器官的高分辨率图像。

超声成像目前需要仅在医院和医生办公室提供的庞大且专业的设备。然而，MIT工程师开发的一种新设计可能会使该技术像在药店购买创可贴一样可穿戴且易于使用。相关研究结果于2022年7月28日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Chonghe Wang，Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou, Xuanhe Zhao. Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs. Science, 28 July 2022, 377(6605): 517-523. DOI: 10.1126/science.abo2542. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542

MIT工程师们在此论文中介绍了新超声波贴纸的设计。这种邮票大小的设备贴在皮肤上，可以提供 48 小时内脏器官的连续超声成像。参与此项研究除了来自MIT的研究人员之外，还有来自美国圣何塞市的Makihata工程（Makihata Engineering, San Jose, USA）以及美国梅奥诊所（Mayo Clinic, Rochester, MN 55905, USA）的研究人员。

为了展示这项发明，研究人员将这些贴纸贴在志愿者身上。他们展示了这些设备生成的主要血管和更深层器官（如心脏、肺和胃）的实时高分辨率图像。随着志愿者们进行各种活动，包括坐、站、慢跑和骑自行车，这些贴纸保持着强大的附着力，并不断捕捉到其下底层器官的变化。

在当前的设计中，贴纸必须连接到将反射声波转化为图像的仪器。据研究人员称，即使以目前的形式，这些贴纸也可以立即应用。例如，这些设备可以应用于医院的患者，类似于心脏监测心电图贴纸，并且可以连续成像内部器官，而无需技术人员长时间将探头固定在适当的位置。

使该设备以无线方式工作是该团队目前正在努力实现的目标。如果成功，超声贴纸可以制成可穿戴成像产品，患者可以从医生办公室带回家，甚至可以在药房购买。

该研究的通讯作者、MIT机械工程及土木与环境工程教授赵选贺（Xuanhe Zhao音译）说：“我们设想一些贴片贴在身体的不同位置，这些贴片会与你的手机通信，人工智能算法会根据需要分析图像。我们相信我们已经开启了可穿戴成像的新时代：只要在你的身体上贴上一些贴片，你就可以看到你的内部器官。”

一个棘手的问题（A sticky issue）

为了使用超声波成像，技术人员首先将液体凝胶涂抹在患者的皮肤上，该凝胶起到传输超声波的作用。然后将探头或转换器压在凝胶上，将声波发送到体内，从内部结构回声并返回探头，回声信号被转换成视觉图像。

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，可以将转换器固定在适当的位置而不会感到疲倦，但液体超声凝胶会随着时间流走并变干，从而中断长期成像。

近年来，科学家们探索了可伸缩超声探头的设计，该探头将提供便携式、低剖面的内部器官成像。这些设计提供了一个灵活的微型超声转换器阵列，其想法是这种设备可以拉伸并贴合患者的身体。

但是这些实验设计产生了低分辨率的图像，部分原因是它们的拉伸：在与身体一起移动时，转换器(transducers)相对于彼此移动位置，从而扭曲了生成的图像。

“可穿戴超声成像工具在临床诊断的未来将具有巨大的潜力。然而，现有超声贴片的分辨率和成像持续时间相对较低，无法对深层器官进行成像，”MIT研究生王崇和(Chonghe Wang音译)说。

内部外观(An inside look)

通过将弹性胶粘层（stretchy adhesive layer）与刚性转换器阵列（rigid array of transducers）配对，MIT团队的新超声贴纸可以在更长的时间内产生更高分辨率的图像。“这种组合使设备能够贴合皮肤，同时保持转换器的相对位置，以生成更清晰、更精确的图像。” 王崇和说。

该设备的胶粘层由两层薄薄的弹性体制成，中间层包裹着一层固体水凝胶，这种水凝胶主要是一种水基材料，可以轻松传输声波。与传统的超声波凝胶不同，MIT团队的水凝胶具有弹性（elastic and stretchy）。

MIT博士后陈晓宇（Xiaoyu Chen）说：“弹性体可以防止水凝胶脱水。只有当水凝胶高度水合时，声波才能有效穿透并提供内部器官的高分辨率成像。”

底部弹性体层设计用于粘附在皮肤上，而顶层则粘附在团队也设计和制造的刚性转换器阵列上。整个超声波贴纸的宽度约为 2 cm²，厚度3 mm——大约是一张邮票的面积。

研究人员通过对健康志愿者的一系列测试对超声波贴纸进行了测试，这些志愿者将贴纸贴在身体的各个部位，包括颈部、胸部、腹部和手臂。贴纸一直贴在他们的皮肤上，并在长达48小时内产生清晰的底层结构图像。在此期间，志愿者在实验室进行了各种活动，从坐姿和站姿到慢跑、骑自行车及举重。

从贴纸的图像中，研究团队能够观察到坐着和站着时主要血管直径的变化。这些贴纸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。研究人员还能够观察到胃扩张，然后在志愿者喝水时收缩，然后将果汁排出系统。当一些志愿者举重时，该团队可以检测到潜在肌肉中的明亮图案，这表明存在暂时的微损伤（temporary microdamage）。

陈晓宇说：“通过成像，我们可能能够在过度使用之前捕捉锻炼的瞬间，并在肌肉变得酸痛之前停下来。我们不知道那一刻可能何时到来，但现在我们可以提供专家可以解释的成像数据。”

工程团队正在努力使贴纸以无线方式运行。他们还在开发基于人工智能的软件算法，可以更好地解释和诊断贴纸的图像。然后，赵选贺设想超声贴纸可以被患者和消费者打包购买，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。

赵选贺说：“我们想象我们可以有一盒贴纸，每个贴纸都设计用于描绘身体的不同位置。我们相信这代表了可穿戴设备和医学成像方面的突破。”

这项研究部分由麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology: W911NF-13-D-0001）、美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency through Cooperative Agreement: D20AC00004）、美国国家科学基金会（National Science Foundation: EFMA-1935291）、美国国立卫生研究院（National Institutes of Health: 1R01HL153857）和美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所（U.S. Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT）资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Continuous long-term ultrasound imaging

Ultrasound is widely used for the noninvasive imaging of tissues and organs, but this method requires close contact between the transducer and the target area. This can make it difficult to acquire images over a long period of time, especially if the patient needs to be mobile. Wang et al. describe a wearable ultrasound imaging device (see the Perspective by Tan and Lu). A rigid piezoelectric probe array is bonded to the skin with an acoustically transparent hydrogel elastomer. In vivo testing showed that the device could be comfortably worn for 48 hours, and hooking the array up to a commercially available ultrasound platform allowed for continuous ultrasound images of the carotid artery, lung, and abdomen. —MSL

Abstract

Continuous imaging of internal organs over days could provide crucial information about health and diseases and enable insights into developmental biology. We report a bioadhesive ultrasound (BAUS) device that consists of a thin and rigid ultrasound probe robustly adhered to the skin via a couplant made of a soft, tough, antidehydrating, and bioadhesive hydrogel-elastomer hybrid. The BAUS device provides 48 hours of continuous imaging of diverse internal organs, including blood vessels, muscle, heart, gastrointestinal tract, diaphragm, and lung. The BAUS device could enable diagnostic and monitoring tools for various diseases.