麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况

麻省理工学院机械工程系教授 Xuanhe Zhao 说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声波贴纸。"图片来源：研究人员提供

在最近发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项开放存取研究中，研究小组报告说，传感器可以将声波穿过皮肤传入人体，声波在人体内部器官上反射后再传回贴纸。反射波的模式可被解读为器官僵硬度的特征，贴纸可对其进行测量和跟踪。

器官监测的进展

"当一些器官发生疾病时，它们会随着时间的推移而变得僵硬，"论文的资深作者、麻省理工学院机械工程系教授赵宣和说。"有了这种可穿戴贴纸，我们就可以长时间持续监测硬度的变化，这对于早期诊断内脏器官衰竭至关重要。"

研究小组证明，这种粘贴传感器可以在 48 小时内持续监测器官的硬度，并检测出可能预示疾病进展的微妙变化。在初步实验中，研究人员发现这种粘性传感器可以检测到大鼠急性肝功能衰竭的早期迹象。

佩戴在皮肤上的小型超声波贴纸可以监测身体深处器官的硬度。麻省理工学院开发的这种传感器可以检测肝脏和肾脏衰竭等疾病的迹象以及实体瘤的进展情况。图片来源：研究人员提供

工程师们正在努力将这种设计应用于人体。他们设想，这种贴纸可以用于重症监护室（ICU），在那里，低调的传感器可以持续监测器官移植后正在康复的病人。

"我们设想，就在肝脏或肾脏移植手术之后，我们可以把这种贴纸贴在病人身上，观察器官的硬度在几天内的变化情况，"领衔作者刘孝全说。"如果有任何急性肝衰竭的早期诊断，医生就可以立即采取行动，而不是等到病情变得严重时才采取行动。"研究进行时，刘晓川是麻省理工学院的访问科学家，目前是南加州大学的助理教授。

该研究的麻省理工学院合著者包括陈晓宇（Xiaoyu Chen）和王崇和（Chonghe Wang），以及USC南加州大学的合作者。

超声弹性成像及其局限性

就像我们的肌肉一样，随着年龄的增长，体内的组织和器官也会变得僵硬。在某些疾病的影响下，器官僵化会变得更加明显，预示着健康状况可能会急剧下降。目前，临床医生有办法利用超声弹性成像技术来测量肾脏和肝脏等器官的僵硬程度，这种技术类似于超声波成像，技术人员在皮肤上操作一个手持探头或探棒。探头通过身体发出声波，导致内部器官轻微振动并发出声波。探头会感应到器官感应到的振动，而振动的模式可以转化为器官的晃动或僵硬程度。

超声弹性成像技术通常用于重症监护病房，以监测近期接受器官移植的病人。技术人员会在手术后不久定期检查病人，快速探查新器官，寻找僵化迹象和潜在的急性衰竭或排斥反应。

图片来源：研究人员提供

另一位资深作者、南加州大学教授周其发（Qifa Zhou）说："器官移植后，重症监护室的前72小时最为关键。传统的超声波检查需要将探头对准身体。但你无法长期持续这样做。医生可能会错过关键时刻，意识到器官衰竭时为时已晚。"

研究小组意识到，他们或许能提供一种更连续、可穿戴的替代方案。他们的解决方案扩展了他们之前开发的超声波贴纸，用于对深层组织和器官进行成像。

赵解释说："我们的成像贴只能捕捉纵波，而这次我们想捕捉剪切波，它能告诉你器官的刚性。"

现有的超声弹性成像探头可测量剪切波或器官对声波脉冲的振动。剪切波在器官中传播的速度越快，说明器官越坚硬。(想想水球和足球的反弹力）。

超声波技术的创新

研究小组希望将超声弹性成像技术微型化，使其适合贴在邮票大小的贴纸上。他们还希望保持与商用手持探头相同的灵敏度，手持探头通常包含约128个压电换能器，每个换能器都能将传入的电场转化为传出的声波。

周说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声贴纸。"

研究人员精确地制造了 128 个微型传感器，并将其集成到一个 25 毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部衬上了一种由水凝胶制成的粘合剂--一种由水和聚合物混合而成的具有粘性和伸缩性的材料，它能让声波几乎无损耗地进出设备。

在初步实验中，研究小组在老鼠身上测试了硬度感应贴纸。他们发现，贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集到的数据中，研究人员观察到了急性肝衰竭的明显早期迹象，随后他们通过组织样本证实了这一点。一旦肝脏衰竭，器官的硬度将增加数倍。

赵补充说："健康的肝脏就像煮熟的鸡蛋一样摇摇晃晃，而患病的肝脏则更像煮熟的鸡蛋。而这种贴纸可以捕捉到身体深处的这些差异，并在器官衰竭发生时发出警报。"

研究小组正与临床医生合作，将这种贴纸应用于重症监护室的器官移植康复病人。在这种情况下，他们预计贴纸目前的设计不会有太大变化，因为它可以贴在病人的皮肤上，它发出和接收的任何声波都可以由连接到贴纸上的电子设备传递和收集，类似于医生办公室里的电极和心电图机。

未来的应用和影响

哈佛大学医学院医学副教授、布里格姆妇女医院副生物工程师 Shrike Zhang 说："这个系统的真正魅力在于，由于它现在是可穿戴的，因此可以实现低重量、可适配和长时间的持续监测，这不仅可以让病人在实现对疾病进展的长期、几乎实时监测的同时减少痛苦，还可以让训练有素的医院人员腾出时间来从事其他重要工作"。他没有参与这项研究。

研究人员还希望将这种贴纸改装成更便携的自封式版本，将其所有配套电子设备和处理过程小型化，装入一个稍大的贴片中。然后，他们设想病人可以在家中佩戴这种贴纸，对病情进行较长时间的连续监测，如实体瘤的进展情况，众所周知，实体瘤会随着病情的严重而变硬。

"我们相信这是一个拯救生命的技术平台，"赵说。"我们认为，未来人们只需在身上贴几张贴纸，就能测量许多生命信号，并对体内主要器官的健康状况进行成像和追踪。"

编译来源：ScitechDaily