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?xiàng)引人注目的突破，他們研發(fā)出一種小型超聲貼片，可以貼在皮膚上，監(jiān)測(cè)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(jìn)展。這項(xiàng)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(gè)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(cè)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(tuán)隊(duì)展示了BAUS-E貼片能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)器官硬度長(zhǎng)達(dá)48小時(shí)，并檢測(cè)到微妙的變化，這可能預(yù)示著疾病的發(fā)展。在初步實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)這個(gè)粘性傳感器能夠檢測(cè)到大鼠中誘導(dǎo)的急性肝功能衰竭的早期跡象。

MIT的機(jī)械工程教授、論文的高級(jí)作者趙宣賀博士表示：“當(dāng)一些器官患病時(shí)，它們可能會(huì)隨著時(shí)間而變硬。有了這款可穿戴貼片，我們可以持續(xù)監(jiān)測(cè)硬度的變化，這對(duì)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(shí)曾在MIT擔(dān)任訪問科學(xué)家，他補(bǔ)充說：“我們?cè)O(shè)想，在肝臟或腎臟移植后，我們可以將這個(gè)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(dòng)，而不是等待病情變得嚴(yán)重?！?/p>

目前，工程師們正在努力調(diào)整設(shè)計(jì)以適應(yīng)人體使用。他們?cè)O(shè)想這個(gè)貼片可以應(yīng)用于重癥監(jiān)護(hù)室，低調(diào)的傳感器可以持續(xù)監(jiān)測(cè)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(hù)室進(jìn)行術(shù)后護(hù)理中…”

與我們的肌肉一樣，隨著年齡增長(zhǎng)，我們體內(nèi)的組織和器官也會(huì)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(cè)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(cè)量切向波或器官對(duì)聲波脈沖的振動(dòng)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(hù)室中用于監(jiān)測(cè)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(dòng)并發(fā)送波返回。探頭感知器官誘發(fā)的振動(dòng)，振動(dòng)的模式可以轉(zhuǎn)換成器官的搖擺或硬度。

技術(shù)人員會(huì)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(bào)告稱，使用傳統(tǒng)的超聲SWE測(cè)量的肝臟硬度是一個(gè)可靠的生物標(biāo)志物，與健康對(duì)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(jìn)行檢查，無法持續(xù)監(jiān)測(cè)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(shí)內(nèi)提供對(duì)內(nèi)部器官硬度的連續(xù)測(cè)量?！?/p>

南加利福尼亞大學(xué)的合著者、教授周其發(fā)博士補(bǔ)充說：“器官移植后的前72小時(shí)在重癥監(jiān)護(hù)室中至關(guān)重要。使用傳統(tǒng)超聲時(shí)，需要將探頭置于身體上。但不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)這樣做。醫(yī)生可能會(huì)錯(cuò)過一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，直到器官衰竭才意識(shí)到為時(shí)已晚?！?/p>

研究人員意識(shí)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(xiàng)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(kuò)展?！拔覀兊某上褓N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(tuán)隊(duì)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(gè)壓電換能器，每個(gè)換能器將傳入的電場(chǎng)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(gè)微型換能器，將它們整合到一個(gè)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(lì)源，產(chǎn)生用于彈性成像測(cè)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(jìn)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(jì)微型化的超聲貼片?！?/p>

在初步實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)在大鼠中測(cè)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(shí)內(nèi)連續(xù)測(cè)量肝臟硬度?！癇AUS-E被用于連續(xù)監(jiān)測(cè)大鼠急性肝功能衰竭期間肝臟硬度的變化，監(jiān)測(cè)間隔為6小時(shí)，共計(jì)48小時(shí)，”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(jìn)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(rèn)?！拔覀冏C明了可穿戴BAUS-E能夠提供隨時(shí)間連續(xù)測(cè)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(jìn)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(cè)提供幫助，并在重癥監(jiān)護(hù)室內(nèi)肝移植后評(píng)估移植物狀態(tài)方面提供幫助。”

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(bǔ)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(gè)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(shí)提供警報(bào)?！?/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(hù)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(jì)貼片的當(dāng)前設(shè)計(jì)會(huì)有太大變化，因?yàn)樗梢再N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(jìn)行傳遞和收集，類似于醫(yī)生辦公室中的電極和心電圖機(jī)。

研究人員還希望將貼片設(shè)計(jì)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(diǎn)的貼片?！霸诓痪玫膶恚覀冇?jì)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(cè)更長(zhǎng)時(shí)間的條件，如實(shí)體腫瘤的進(jìn)展，因?yàn)楸娝苤?，這些腫瘤隨著病情加重而變得更加堅(jiān)硬。

“我們相信這是一項(xiàng)拯救生命的技術(shù)平臺(tái)，”趙宣賀說。“未來，我們認(rèn)為人們可以在身體上粘貼幾個(gè)貼片來測(cè)量許多重要信號(hào)，并對(duì)身體的主要器官進(jìn)行成像和跟蹤健康狀況。”

正如作者在論文中總結(jié)的：“BAUS-E在擴(kuò)展超聲可穿戴設(shè)備的實(shí)質(zhì)應(yīng)用方面具有巨大潛力，例如在重癥監(jiān)護(hù)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(xiàn)：Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography

編輯：王洪

排版：李麗