邮票大小的小型超声成像贴片，用于持续监测体内器官病变

MEMS 2024-02-18 00:02

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急性肝衰竭（ALF）是一种严重的医学状况，定义为肝脏功能障碍的迅速发展。传统的超声弹性成像由于需要手持探头，无法连续监测快速变化疾病过程中的肝脏硬度，以便早期发现。

2024年2月9日，南加州大学周启发教授、Hsiao-Chuan Liu博士和麻省理工学院赵选贺教授（共同通讯作者）合作团队在Science Advances上发表 “Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography” 论文。Hsiao-Chuan Liu博士为第一作者和通讯作者。

该研究开发了一款邮票大小的小型超声贴片：BAUS-E，可以贴在皮肤上，在48小时内持续监测大鼠的肝脏硬度变化，发现早期急性肝衰竭（ALF）的迹象。此外，这一技术平台还可以用于持续监测体内其他器官以及实体瘤的能力。

赵选贺教授表示，当一些器官患病时，它们会随着时间的推移而僵硬，使用这种可穿戴超声贴片，我们可以持续监测长时间内器官硬度的变化，这对于早期诊断体内器官衰竭至关重要。

在过去的十年中，随着软材料的快速发展，可穿戴超声设备得到了广泛开发，用于对内部器官进行成像和评估生物医学应用中的各种生理特征，如测量中心血压、、评估深层组织血液动力学、监测心脏功能以及对不同器官进行连续成像。然而，这些方法主要针对生物组织结构成像，无法用于弹性成像测量。

这项研究报告了可穿戴生物粘附超声弹性成像（BAUS-E），能够在 48 小时内连续测量肝脏硬度。图1 展示了可穿戴生物粘附超声剪切波弹性成像（BAUS-E）的设计和机制。BAUS-E 配备 128 通道换能器阵列，薄型阵列可产生声辐射力脉冲（ARFI）作为激励源，产生剪切波进行弹性成像测量。薄型阵列通过生物粘附性强的水凝胶耦合剂进一步粘附在皮肤上，可进行 48 小时连续、可穿戴的超声弹性成像。这种生物粘性水凝胶-弹性体混合耦合剂可保持高含水量、高界面韧性和低声衰减，用于连续和可穿戴超声弹性成像。通过进行换能器测量、模型研究和数值模拟，系统地鉴定了 BAUS-E 性能。通过与商用超声换能器的比较，我们进一步验证了 BAUS-E 的性能。此外还证明 BAUS-E 可以在 48 小时内连续测量 d-半乳糖胺（d-Gal）诱导的 ALF 大鼠肝脏硬度的变化。发现 BAUS-E 测量的肝脏硬度增加与组织病理学染色显示的 ALF 之间存在明显的相关性。BAUS-E 可广泛应用于诊所和重症监护室，在快速变化的疾病过程中对内脏器官的模量进行无创和连续监测，以便早期发现 ALF 等疾病。

图1. 可穿戴BAUS-E的设计与机制

图2 展示了系统性的幻影研究，旨在评估BAUS-E在测量机械特性时使用剪切波弹性成像（SWE）的性能。研究使用了商业超声幻影，提供了剪切波速度（Cg，群速度）的真实值，该值由CIRS公司确定为2.80 m/s。实验分为四种不同的条件：使用传统超声耦合凝胶的商业超声探头进行SWE测量（对照组）、使用生物粘附耦合剂的商业超声探头进行SWE测量、使用传统超声耦合凝胶的可穿戴设备进行SWE测量，以及使用BAUS-E进行SWE测量。为了确保一致性，所有设备的ARFI焦点都放置在幻影表面下方10毫米处。结果显示，BAUS-E在测量Cg时表现出良好的性能，并且生物粘附耦合剂并未干扰SWE的结果，这得益于其良好的声学阻抗匹配。此外，数值模拟进一步验证了四种实验条件下剪切波的群速度，与实验结果高度一致。通过这些系统性的研究，BAUS-E证明了其在ARFI基础上的可穿戴超声SWE测量中的可靠性。

图2. 系统模型研究，以评估横波的准确性

图3 展示了使用BAUS-E对急性肝衰竭（ALF）大鼠模型进行的48小时连续监测弹性变化的实验过程。通过向大鼠体内注射d-半乳糖胺诱导ALF，然后每隔6小时使用BAUS-E测量一次肝脏的弹性，共进行了9次测量。实验重复了五次，每次测量包括三次剪切波测量，以确保数据的准确性。结果显示，大鼠肝脏的剪切波速度（Cg）在注射d-半乳糖胺后的前6小时内显著增加，随后在12至30小时期间逐渐增加，并在30至36小时之间出现了一个显著的跳跃，这可能反映了肝脏纤维化程度的急剧增加。这些发现表明，BAUS-E能够有效地作为ALF的生物标志物，通过连续的模量测量反映了ALF的进展。此外，组织学染色结果与BAUS-E测量的肝脏弹性变化高度相关，进一步证实了BAUS-E在监测ALF严重程度方面的可靠性。

图3. 使用BAUS-E连续监测ALF大鼠的弹性变化48小时

图4 展示了对急性肝衰竭（ALF）大鼠肝脏组织进行的组织学染色结果，包括苏木精和伊红（H&E）染色、Sirius红染色和免疫荧光（IF）染色，以评估肝脏纤维化的程度。H&E染色揭示了从0到48小时ALF的严重程度，突出了形态和结构的变化。Sirius红染色，用于检测和量化肝脏组织中胶原纤维的积累，显示了随着时间的推移，胶原纤维分布的增加，特别是在36小时后，肝脏纤维化显著增加。IF染色通过评估α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的表达水平来定量评估肝脏纤维化程度，结果显示从12小时开始α-SMA表达逐渐增加，到48小时时肝脏纤维化分布广泛。这些组织学检查结果与BAUS-E测量的肝脏弹性变化高度一致，表明BAUS-E能够准确反映与ALF相关的肝脏硬度变化，并且与组织学结果相吻合。通过Spearman相关性分析，BAUS-E测量的杨氏模量与Sirius红染色和α-SMA染色结果之间存在显著的相关性，进一步证实了BAUS-E在连续剪切波弹性成像（SWE）测量中的可靠性。

图4. 肝脏组织学结果与ALF和回归分析

该研究强调了可穿戴生物粘附超声剪切波弹性成像（BAUS-E）设备在连续监测急性肝衰竭（ALF）大鼠肝脏硬度变化方面的有效性和潜力。BAUS-E设备通过产生声辐射力脉冲（ARFI）来诱导剪切波，实现了对肝脏弹性模量的连续监测。在48小时的监测期间，设备成功捕捉到了肝脏硬度的显著变化，特别是在注射d-半乳糖胺后的前6小时内。研究结果与组织学染色结果高度相关，验证了BAUS-E在测量ALF相关肝脏硬度变化方面的准确性。此外，BAUS-E在生物安全性方面也符合规定标准，其机械指数（MI）和空间峰值时间平均强度（ISPTA,0.3）均在安全范围内。

目前，研究团队正在与临床医生合作，将该超声贴片用于监测ICU中的器官移植后的患者。可以想象，在肝脏或肾脏移植后，将这个超声贴片贴在患者身上，观察他们的器官随时间的硬度变化，如果在早期发现器官衰竭的迹象，医生就可以立即采取行动，而不是等到病情变得更加严重。研究团队还希望将该超声贴片开发成一个更便携、闭环的版本，其中所有伴随的电子设备和信息处理都被微型化，以适应一个稍大的贴片。这样患者就可以在家中佩戴该贴片，以持续监测较长时间内的病情变化，例如实体瘤的进展。

最后，赵选贺教授表示，我们相信，这是一个拯救生命的技术平台，在未来，人们可以在身体上贴上几个这样的贴片，以测量许多重要的生理信号并成像和跟踪身体主要器官的健康状况。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk8426

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