郵票大小的小型超聲成像貼片，用于持續監測體內器官病變

MEMS 2024-02-18 00:02

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急性肝衰竭（ALF）是一種嚴重的醫學狀況，定義為肝臟功能障礙的迅速發展。傳統的超聲彈性成像由于需要手持探頭，無法連續監測快速變化疾病過程中的肝臟硬度，以便早期發現。

2024年2月9日，南加州大學周啟發教授、Hsiao-Chuan Liu博士和麻省理工學院趙選賀教授（共同通訊作者）合作團隊在Science Advances上發表 “Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography” 論文。Hsiao-Chuan Liu博士為第一作者和通訊作者。

該研究開發了一款郵票大小的小型超聲貼片：BAUS-E，可以貼在皮膚上，在48小時內持續監測大鼠的肝臟硬度變化，發現早期急性肝衰竭（ALF）的跡象。此外，這一技術平臺還可以用于持續監測體內其他器官以及實體瘤的能力。

趙選賀教授表示，當一些器官患病時，它們會隨著時間的推移而僵硬，使用這種可穿戴超聲貼片，我們可以持續監測長時間內器官硬度的變化，這對于早期診斷體內器官衰竭至關重要。

在過去的十年中，隨著軟材料的快速發展，可穿戴超聲設備得到了廣泛開發，用于對內部器官進行成像和評估生物醫學應用中的各種生理特征，如測量中心血壓、、評估深層組織血液動力學、監測心臟功能以及對不同器官進行連續成像。然而，這些方法主要針對生物組織結構成像，無法用于彈性成像測量。

這項研究報告了可穿戴生物粘附超聲彈性成像（BAUS-E），能夠在 48 小時內連續測量肝臟硬度。圖1 展示了可穿戴生物粘附超聲剪切波彈性成像（BAUS-E）的設計和機制。BAUS-E 配備?128 通道換能器陣列，薄型陣列可產生聲輻射力脈沖（ARFI）作為激勵源，產生剪切波進行彈性成像測量。薄型陣列通過生物粘附性強的水凝膠耦合劑進一步粘附在皮膚上，可進行 48 小時連續、可穿戴的超聲彈性成像。這種生物粘性水凝膠-彈性體混合耦合劑可保持高含水量、高界面韌性和低聲衰減，用于連續和可穿戴超聲彈性成像。通過進行換能器測量、模型研究和數值模擬，系統地鑒定了 BAUS-E 性能。通過與商用超聲換能器的比較，我們進一步驗證了 BAUS-E 的性能。此外還證明 BAUS-E 可以在 48 小時內連續測量 d-半乳糖胺（d-Gal）誘導的 ALF 大鼠肝臟硬度的變化。發現?BAUS-E 測量的肝臟硬度增加與組織病理學染色顯示的 ALF 之間存在明顯的相關性。BAUS-E 可廣泛應用于診所和重癥監護室，在快速變化的疾病過程中對內臟器官的模量進行無創和連續監測，以便早期發現 ALF 等疾病。

圖1. 可穿戴BAUS-E的設計與機制

圖2 展示了系統性的幻影研究，旨在評估BAUS-E在測量機械特性時使用剪切波彈性成像（SWE）的性能。研究使用了商業超聲幻影，提供了剪切波速度（Cg，群速度）的真實值，該值由CIRS公司確定為2.80 m/s。實驗分為四種不同的條件：使用傳統超聲耦合凝膠的商業超聲探頭進行SWE測量（對照組）、使用生物粘附耦合劑的商業超聲探頭進行SWE測量、使用傳統超聲耦合凝膠的可穿戴設備進行SWE測量，以及使用BAUS-E進行SWE測量。為了確保一致性，所有設備的ARFI焦點都放置在幻影表面下方10毫米處。結果顯示，BAUS-E在測量Cg時表現出良好的性能，并且生物粘附耦合劑并未干擾SWE的結果，這得益于其良好的聲學阻抗匹配。此外，數值模擬進一步驗證了四種實驗條件下剪切波的群速度，與實驗結果高度一致。通過這些系統性的研究，BAUS-E證明了其在ARFI基礎上的可穿戴超聲SWE測量中的可靠性。

圖2. 系統模型研究，以評估橫波的準確性

圖3 展示了使用BAUS-E對急性肝衰竭（ALF）大鼠模型進行的48小時連續監測彈性變化的實驗過程。通過向大鼠體內注射d-半乳糖胺誘導ALF，然后每隔6小時使用BAUS-E測量一次肝臟的彈性，共進行了9次測量。實驗重復了五次，每次測量包括三次剪切波測量，以確保數據的準確性。結果顯示，大鼠肝臟的剪切波速度（Cg）在注射d-半乳糖胺后的前6小時內顯著增加，隨后在12至30小時期間逐漸增加，并在30至36小時之間出現了一個顯著的跳躍，這可能反映了肝臟纖維化程度的急劇增加。這些發現表明，BAUS-E能夠有效地作為ALF的生物標志物，通過連續的模量測量反映了ALF的進展。此外，組織學染色結果與BAUS-E測量的肝臟彈性變化高度相關，進一步證實了BAUS-E在監測ALF嚴重程度方面的可靠性。

圖3. 使用BAUS-E連續監測ALF大鼠的彈性變化48小時

圖4 展示了對急性肝衰竭（ALF）大鼠肝臟組織進行的組織學染色結果，包括蘇木精和伊紅（H&E）染色、Sirius紅染色和免疫熒光（IF）染色，以評估肝臟纖維化的程度。H&E染色揭示了從0到48小時ALF的嚴重程度，突出了形態和結構的變化。Sirius紅染色，用于檢測和量化肝臟組織中膠原纖維的積累，顯示了隨著時間的推移，膠原纖維分布的增加，特別是在36小時后，肝臟纖維化顯著增加。IF染色通過評估α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）的表達水平來定量評估肝臟纖維化程度，結果顯示從12小時開始α-SMA表達逐漸增加，到48小時時肝臟纖維化分布廣泛。這些組織學檢查結果與BAUS-E測量的肝臟彈性變化高度一致，表明BAUS-E能夠準確反映與ALF相關的肝臟硬度變化，并且與組織學結果相吻合。通過Spearman相關性分析，BAUS-E測量的楊氏模量與Sirius紅染色和α-SMA染色結果之間存在顯著的相關性，進一步證實了BAUS-E在連續剪切波彈性成像（SWE）測量中的可靠性。

圖4. 肝臟組織學結果與ALF和回歸分析

該研究強調了可穿戴生物粘附超聲剪切波彈性成像（BAUS-E）設備在連續監測急性肝衰竭（ALF）大鼠肝臟硬度變化方面的有效性和潛力。BAUS-E設備通過產生聲輻射力脈沖（ARFI）來誘導剪切波，實現了對肝臟彈性模量的連續監測。在48小時的監測期間，設備成功捕捉到了肝臟硬度的顯著變化，特別是在注射d-半乳糖胺后的前6小時內。研究結果與組織學染色結果高度相關，驗證了BAUS-E在測量ALF相關肝臟硬度變化方面的準確性。此外，BAUS-E在生物安全性方面也符合規定標準，其機械指數（MI）和空間峰值時間平均強度（ISPTA,0.3）均在安全范圍內。

目前，研究團隊正在與臨床醫生合作，將該超聲貼片用于監測ICU中的器官移植后的患者。可以想象，在肝臟或腎臟移植后，將這個超聲貼片貼在患者身上，觀察他們的器官隨時間的硬度變化，如果在早期發現器官衰竭的跡象，醫生就可以立即采取行動，而不是等到病情變得更加嚴重。研究團隊還希望將該超聲貼片開發成一個更便攜、閉環的版本，其中所有伴隨的電子設備和信息處理都被微型化，以適應一個稍大的貼片。這樣患者就可以在家中佩戴該貼片，以持續監測較長時間內的病情變化，例如實體瘤的進展。

最后，趙選賀教授表示，我們相信，這是一個拯救生命的技術平臺，在未來，人們可以在身體上貼上幾個這樣的貼片，以測量許多重要的生理信號并成像和跟蹤身體主要器官的健康狀況。

原文鏈接

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

延伸閱讀：
《微機械超聲換能器專利態勢分析-2023版》
《電容式微機械超聲換能器（CMUT）期刊文獻檢索與分析-2022版》