機(jī)器之心報(bào)道

編輯：張倩、澤南

研究者希望，這種貼片有朝一日可以用來(lái)監(jiān)測(cè)各種內(nèi)部器官變化、腫瘤的進(jìn)展以及子宮內(nèi)胎兒的發(fā)育。

超聲波成像是一種安全、無(wú)創(chuàng)的身體檢查方式，可以為臨床醫(yī)生提供患者內(nèi)部器官的實(shí)時(shí)影像。為了捕捉這些影像，訓(xùn)練有素的技術(shù)人員需要操縱超聲棒和探頭，將聲波引導(dǎo)到患者體內(nèi)。然后，這些超聲波反射回來(lái)，形成病人心臟、肺和其他深層器官的高分辨率圖像。

目前，超聲波成像依賴(lài)一些笨重的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，一般只有醫(yī)院才有這些設(shè)備。但 MIT 的一項(xiàng)研究成果有望打破這一局面，他們開(kāi)發(fā)出了一種可穿戴的超聲波貼片，有望讓超聲波成像技術(shù)變得像創(chuàng)可貼一樣普及。

在 7 月 28 日發(fā)表在頂級(jí)科學(xué)期刊《Science》的一篇論文中，工程師們展示了他們的超聲波成像貼片。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542

這種貼片大概只有郵票大小，但可以貼在皮膚上并連續(xù) 48 小時(shí)成像。

研究人員將這些貼片貼在志愿者身上，并向他們展示了這些設(shè)備產(chǎn)生的血管和心臟、肺、胃等深層器官的高分辨率實(shí)時(shí)圖像。當(dāng)志愿者進(jìn)行各種活動(dòng)（包括坐、站、慢跑和騎自行車(chē)）時(shí)，這些貼片保持了很強(qiáng)的粘附力，并捕捉到了器官的變化。

目前的設(shè)計(jì)要求把貼片連接到將反射聲波轉(zhuǎn)換成圖像的儀器上。不過(guò)，研究人員指出，即使以目前的形式，這種貼片也可以立即應(yīng)用，例如應(yīng)用于醫(yī)院的病人，類(lèi)似于心臟監(jiān)測(cè)心電圖貼片。它可以針對(duì)內(nèi)部器官連續(xù)成像，而不需要技術(shù)人員長(zhǎng)時(shí)間將探頭固定在原位。

研究小組目前正在研究這種貼片的無(wú)線版本，如果這個(gè)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，超聲波貼片就可以制成可穿戴的成像產(chǎn)品，患者可以從醫(yī)院帶回家，甚至可以在藥店購(gòu)買(mǎi)。

該研究的通訊作者、MIT 機(jī)械工程和土木與環(huán)境工程教授趙選賀（Xuanhe Zhao）表示：「我們的想法是：我們可以在身體的不同部位貼一些這樣的貼片，這些貼片可以與手機(jī)進(jìn)行通信，然后借助 AI 算法分析這些貼片產(chǎn)生的圖像。」

這項(xiàng)研究的主要作者還有王沖和（Chonghe Wang）和 Xiaoyu Chen，以及共同作者 Liu Wang、Mitsutoshi Makihata、Tao Zhao 和 Hsiao-Chuan Liu。

為什么要做這樣一個(gè)超聲波成像貼片

要想用超聲波成像，醫(yī)生首先要在患者的皮膚上涂上液體凝膠，這樣就可以傳播超聲波。然后將探頭或換能器壓在凝膠上，向體內(nèi)發(fā)送聲波，聲波從體內(nèi)結(jié)構(gòu)反射回來(lái)，回到探頭，在那里反射的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成視覺(jué)圖像。

對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間成像的患者，一些醫(yī)院提供了固定在機(jī)械臂上的探頭，機(jī)械臂本身不會(huì)疲勞，但液體超聲凝膠會(huì)隨著時(shí)間的推移而流動(dòng)并變干，從而中斷成像。

近年來(lái)，研究人員一直在探索可伸縮超聲探頭的設(shè)計(jì)，這種探頭可以針對(duì)內(nèi)部器官提供便攜、低質(zhì)量的成像。他們用到了一種靈活的微型超聲換能器陣列，其理念是這樣的設(shè)備可以伸縮，而且契合患者的身體。

但這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的圖像分辨率較低，部分原因在于它們的可伸縮性：在與身體一起移動(dòng)時(shí)，傳感器之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致圖像失真。

「可穿戴超聲成像工具在未來(lái)的臨床診斷中具有巨大的潛力。然而，現(xiàn)有的超聲貼片的分辨率和成像持續(xù)時(shí)間相對(duì)較低，而且它們不能對(duì)深層器官成像，」論文一作王沖和說(shuō)。

這個(gè)貼片有什么用途

MIT 研究小組的新型超聲波貼片將具有彈性的粘合劑層與剛性換能器陣列配對(duì)，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更高分辨率的圖像。「這種組合使得貼片能夠貼合皮膚，同時(shí)保持傳感器的相對(duì)位置，以產(chǎn)生更清晰、更精確的圖像，」王沖和解釋說(shuō)。

貼片的粘合劑層是由兩層薄彈性體中間包裹固體水凝膠（主要是水基材料，很容易傳播聲波）制成的。與傳統(tǒng)的超聲波凝膠不同，MIT 研究小組的水凝膠具有彈性和可伸縮性。

「這種彈性體可以防止水凝膠脫水，」MIT 博士后 Xiaoyu Chen 說(shuō)，「只有當(dāng)水凝膠高度含水時(shí)，聲波才能有效穿透，并給出內(nèi)部器官的高分辨率成像」。

底部的彈性體層被設(shè)計(jì)成粘附在皮膚上，而頂層粘附在一個(gè)剛性換能器陣列上，這些換能器也是該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造的。整個(gè)超聲波貼片直徑約為 2 平方厘米，厚度約為 3 毫米，相當(dāng)于一張郵票的面積。

研究人員在健康志愿者身上對(duì)這種超聲波貼片進(jìn)行了一系列測(cè)試。這些志愿者將貼片貼在身體的不同部位，包括脖子、胸部、腹部和手臂。這些貼片會(huì)附著在他們的皮膚上，并在長(zhǎng)達(dá) 48 小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰圖像。在這段時(shí)間里，志愿者們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了各種各樣的活動(dòng)，從坐下、站立到慢跑、騎自行車(chē)和舉重。

從這些貼片的成像結(jié)果中，研究小組能夠觀察到坐著和站著時(shí)主要血管直徑的變化。這些貼片還捕捉到了更深層次器官的細(xì)節(jié)，比如心臟在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如何改變形狀。研究人員還能觀察到志愿者在喝果汁時(shí)胃發(fā)生膨脹，然后排出果汁時(shí)又縮回去。當(dāng)一些志愿者舉重時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)可以檢測(cè)到內(nèi)部肌肉的成像變得明亮，這表明他們的肌肉出現(xiàn)了暫時(shí)的微損傷。

「通過(guò)成像技術(shù)，我們或許可以捕捉到過(guò)度健身的瞬間，并在肌肉酸痛前讓佩戴者停下來(lái)，」Chen 說(shuō)，「我們不知道那一刻何時(shí)到來(lái)，但現(xiàn)在我們可以提供專(zhuān)家可以解釋的成像數(shù)據(jù)。」

該團(tuán)隊(duì)正在努力使貼片具有無(wú)線功能，同時(shí)開(kāi)發(fā)基于 AI 的軟件算法，從而更好地解釋和診斷貼片產(chǎn)生的圖像。趙選賀設(shè)想的是，有朝一日人們可以買(mǎi)到這種貼片，然后用它去監(jiān)測(cè)各種內(nèi)部器官變化、腫瘤的進(jìn)展以及子宮內(nèi)胎兒的發(fā)育。