近期，麻省理工學(xué)院（MIT）和南加利福尼亞大學(xué)（USC）的科學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁椧俗⒛康耐黄?，他們研發(fā)出一種小型超聲貼片，可以貼在皮膚上，監(jiān)測身體深處器官的硬度，以便及早發(fā)現(xiàn)疾病跡象，如肝腎功能衰竭或?qū)嶓w腫瘤的進展。這項被稱為可穿戴生物黏附超聲彈性成像（BAUS-E）的技術(shù)，其尺寸僅為郵票大小，包含一個薄薄的換能器陣列，將聲波通過皮膚傳入體內(nèi)，波通過內(nèi)部器官反射回傳感器。反射波的模式可被解讀為器官硬度的標(biāo)志，而這款貼片可以測量和追蹤這一硬度。

在一篇發(fā)表在《Science Advances》雜志上的研究中，該團隊展示了BAUS-E貼片能夠持續(xù)監(jiān)測器官硬度長達48小時，并檢測到微妙的變化，這可能預(yù)示著疾病的發(fā)展。在初步實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)這個粘性傳感器能夠檢測到大鼠中誘導(dǎo)的急性肝功能衰竭的早期跡象。

MIT的機械工程教授、論文的高級作者趙宣賀博士表示：“當(dāng)一些器官患病時，它們可能會隨著時間而變硬。有了這款可穿戴貼片，我們可以持續(xù)監(jiān)測硬度的變化，這對于早期診斷內(nèi)部器官衰竭至關(guān)重要?！?/p>

南加利福尼亞大學(xué)助理教授、研究的第一作者劉孝川博士在研究時曾在MIT擔(dān)任訪問科學(xué)家，他補充說：“我們設(shè)想，在肝臟或腎臟移植后，我們可以將這個貼片貼在患者身上，觀察器官硬度在幾天內(nèi)的變化。如果有任何急性肝功能衰竭的早期診斷，醫(yī)生可以立即采取行動，而不是等待病情變得嚴重?！?/p>

目前，工程師們正在努力調(diào)整設(shè)計以適應(yīng)人體使用。他們設(shè)想這個貼片可以應(yīng)用于重癥監(jiān)護室，低調(diào)的傳感器可以持續(xù)監(jiān)測器官移植后康復(fù)的患者。在論文中，趙、劉等人總結(jié)道：“BAUS-E在臨床應(yīng)用方面具有潛力，特別是在器官移植后或在重癥監(jiān)護室進行術(shù)后護理中…”

與我們的肌肉一樣，隨著年齡增長，我們體內(nèi)的組織和器官也會變得更加僵硬。在某些疾病中，器官變得更加硬化可能表明潛在的健康下降。臨床醫(yī)生目前有辦法使用超聲切向波彈性成像（SWE）等技術(shù)測量器官的硬度，這是一種類似超聲成像的快速而無創(chuàng)的技術(shù)?，F(xiàn)有的超聲彈性成像探頭通過測量切向波或器官對聲波脈沖的振動來衡量器官的硬度。切向波在器官中傳播得越快，器官就被解釋為越硬（類似于水球和足球的反彈）。

該技術(shù)通常在重癥監(jiān)護室中用于監(jiān)測剛接受器官移植手術(shù)的患者。技術(shù)人員通過在皮膚上操作手持式探頭或探棒。探頭通過身體發(fā)射聲波，導(dǎo)致內(nèi)部器官輕微振動并發(fā)送波返回。探頭感知器官誘發(fā)的振動，振動的模式可以轉(zhuǎn)換成器官的搖擺或硬度。

技術(shù)人員會定期使用這種技術(shù)，以迅速探查新器官并尋找硬化和潛在急性衰竭或排斥的跡象。研究人員指出：“先前的研究報告稱，使用傳統(tǒng)的超聲SWE測量的肝臟硬度是一個可靠的生物標(biāo)志物，與健康對照組相比，急性肝功能衰竭的危重病患者中顯著增加?！比欢麄兝^續(xù)說道，“傳統(tǒng)超聲彈性成像的固有局限性在于它要求臨床醫(yī)生手持超聲探頭進行檢查，無法持續(xù)監(jiān)測器官硬度在急劇變化的疾病過程中的變化…據(jù)我們所知，目前沒有超聲彈性成像技術(shù)能夠在短短幾小時內(nèi)提供對內(nèi)部器官硬度的連續(xù)測量?！?/p>

南加利福尼亞大學(xué)的合著者、教授周其發(fā)博士補充說：“器官移植后的前72小時在重癥監(jiān)護室中至關(guān)重要。使用傳統(tǒng)超聲時，需要將探頭置于身體上。但不能長時間持續(xù)這樣做。醫(yī)生可能會錯過一個關(guān)鍵時刻，直到器官衰竭才意識到為時已晚?！?/p>

研究人員意識到他們可能能夠提供一種更連續(xù)、可穿戴的替代方案。這項新技術(shù)是他們先前開發(fā)的用于成像深層組織和器官的超聲貼片的擴展。“我們的成像貼片捕捉的是縱波，而這次我們想捕捉剪切波，這將告訴你器官的硬度，”趙解釋道。

團隊致力于將超聲彈性成像技術(shù)縮小至郵票大小的貼片。他們還旨在保持與商業(yè)手持式探頭相同的靈敏度，這些探頭通常包含約128個壓電換能器，每個換能器將傳入的電場轉(zhuǎn)化為輸出的聲波。

為了創(chuàng)建BAUS-E技術(shù)，研究人員精確制造了128個微型換能器，將它們整合到一個25毫米方形芯片上?！氨”〉膿Q能器陣列可以產(chǎn)生聲輻射作為激勵源，產(chǎn)生用于彈性成像測量的剪切波，”他們指出。芯片的底部覆蓋了一種由水和聚合物混合而成的水凝膠膠粘劑，使聲波幾乎沒有損失地傳播到和從設(shè)備中。周博士說：“我們使用先進的制造技術(shù)從高質(zhì)量的壓電材料中切割小換能器，這使我們能夠設(shè)計微型化的超聲貼片。”

在初步實驗中，團隊在大鼠中測試了這款感知硬度的貼片。他們發(fā)現(xiàn)，這些貼片能夠在48小時內(nèi)連續(xù)測量肝臟硬度?！癇AUS-E被用于連續(xù)監(jiān)測大鼠急性肝功能衰竭期間肝臟硬度的變化，監(jiān)測間隔為6小時，共計48小時，”他們寫道。從貼片收集的數(shù)據(jù)中，研究人員觀察到了大鼠在不同急性肝功能衰竭進展階段的硬度變化的清晰而早期的跡象，這后來通過組織樣本得到了確認?！拔覀冏C明了可穿戴BAUS-E能夠提供隨時間連續(xù)測量的活模數(shù)，并能有效區(qū)分不同階段急性肝功能衰竭進展的肝臟硬度變化與正常肝臟相比。這有望為急性肝功能衰竭的早期預(yù)測提供幫助，并在重癥監(jiān)護室內(nèi)肝移植后評估移植物狀態(tài)方面提供幫助?！?/p>

劉孝川指出：“一旦肝臟發(fā)生衰竭，器官的硬度將增加數(shù)倍?！壁w宣賀補充說：“你可以從健康的肝臟像軟煮雞蛋一樣搖擺，到患病的肝臟更像是硬煮雞蛋。而這個貼片能夠在身體深處捕捉到這些差異，并在器官衰竭發(fā)生時提供警報?！?/p>

研究人員正在與臨床醫(yī)生合作，調(diào)整這款貼片以適應(yīng)重癥監(jiān)護室中器官移植后康復(fù)的患者。在這種情況下，他們不預(yù)計貼片的當(dāng)前設(shè)計會有太大變化，因為它可以貼在患者的皮膚上，任何它發(fā)出和接收的聲波都可以通過連接到貼片的電子設(shè)備進行傳遞和收集，類似于醫(yī)生辦公室中的電極和心電圖機。

研究人員還希望將貼片設(shè)計成更便攜、自封閉的版本，所有附帶的電子設(shè)備和處理器都被微型化以適應(yīng)略大一點的貼片?！霸诓痪玫膶?，我們計劃將外部電源和數(shù)據(jù)處理集成到芯片中，以便制作便攜式樣式的全能BAUSE-E，用于臨床應(yīng)用，”他們表示。研究人員還設(shè)想，貼片可以由患者在家中佩戴，以持續(xù)監(jiān)測更長時間的條件，如實體腫瘤的進展，因為眾所周知，這些腫瘤隨著病情加重而變得更加堅硬。

“我們相信這是一項拯救生命的技術(shù)平臺，”趙宣賀說?！拔磥?，我們認為人們可以在身體上粘貼幾個貼片來測量許多重要信號，并對身體的主要器官進行成像和跟蹤健康狀況?！?/p>

正如作者在論文中總結(jié)的：“BAUS-E在擴展超聲可穿戴設(shè)備的實質(zhì)應(yīng)用方面具有巨大潛力，例如在重癥監(jiān)護室中接受器官移植的患者、癌癥研究以及臨床環(huán)境中的急性失代償性心力衰竭等領(lǐng)域…”

參考文獻：Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography

編輯：王洪

排版：李麗