工程师开发出可以看到身体内部的贴纸

超声成像是了解身体运作的安全且无创的窗口，可为临床医生提供患者内部器官的实时图像。为了捕捉这些图像，训练有素的技术人员操纵超声波棒和探头将声波引导到体内。这些波反射回来，产生患者心脏、肺和其他深层器官的高分辨率图像。

目前，超声成像需要仅在医院和医生办公室可用的庞大且专门的设备。但麻省理工学院工程师的一项新设计可能会使该技术像在药房购买创可贴一样可穿戴和易于使用。

在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中，工程师们展示了一种新的超声波贴纸的设计——一种邮票大小的设备，可以贴在皮肤上，可以提供48小时内脏器官的连续超声波成像。

研究人员将这些贴纸贴在志愿者身上，并展示了这些设备生成的主要血管和更深层器官(如心脏、肺和胃)的实时高分辨率图像。当志愿者进行各种活动(包括坐、站、慢跑和骑自行车)时，这些贴纸保持了很强的附着力，并捕捉到了潜在器官的变化。

当前的设计需要将贴纸连接到将反射声波转化为图像的仪器上。研究人员指出，即使以目前的形式，这些贴纸也可以立即应用：例如，这些设备可以应用于医院的病人，类似于心脏监测EKG贴纸，并且可以在不需要技术人员的情况下连续成像内部器官长时间固定探头。

如果这些设备可以无线操作——这是该团队目前正在努力实现的目标——超声波贴纸可以制成可穿戴的成像产品，患者可以从医生办公室带回家，甚至可以在药房购买。

“我们设想一些贴片贴在身体的不同位置，这些贴片会与你的手机通信，人工智能算法会根据需要分析图像，”该研究的资深作者、机械工程和土木与土木工程教授赵宣和说。麻省理工学院的环境工程。“我们相信我们已经开启了可穿戴成像的新时代：只要在你的身体上贴上一些贴片，你就可以看到你的内部器官。”

该研究还包括主要作者ChongheWang和XiaoyuChen，以及麻省理工学院的LiuWang、MitsutoshiMakihata和TaoZhao，以及明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所的Hsiao-ChuanLiu。

一个棘手的问题

为了使用超声波成像，技术人员首先将液体凝胶涂抹在患者的皮肤上，该凝胶起到传输超声波的作用。然后将探头或换能器压在凝胶上，将声波发送到体内，从内部结构回声并返回探头，回声信号被转换成视觉图像。

对于需要长时间成像的患者，一些医院提供固定在机械臂上的探头，可以将换能器固定在适当的位置而不会感到疲倦，但液体超声凝胶会随着时间流走并变干，从而中断长期成像。

近年来，研究人员探索了可伸缩超声探头的设计，该探头将提供便携式、低剖面的内部器官成像。这些设计提供了一个灵活的微型超声换能器阵列，其想法是这种设备可以拉伸并与患者的身体保持一致。

但是这些实验设计产生了低分辨率的图像，部分原因是它们的拉伸：在与身体一起移动时，换能器相对于彼此移动位置，从而扭曲了生成的图像。

“可穿戴式超声成像工具在未来临床诊断中具有巨大潜力。然而，现有超声贴片的分辨率和成像持续时间相对较低，无法对深层器官进行成像，”麻省理工学院研究生王崇和说。

内部外观

麻省理工学院团队的新超声波贴纸通过将弹性粘合剂层与刚性换能器阵列配对，在更长的时间内产生更高分辨率的图像。“这种组合使设备能够贴合皮肤，同时保持传感器的相对位置，以生成更清晰、更精确的图像。”王说。

该设备的粘合层由两层薄薄的弹性体制成，中间层包裹着一层固体水凝胶，这种水基材料主要是水基材料，可以轻松传输声波。与传统的超声波凝胶不同，麻省理工学院团队的水凝胶具有弹性和弹性。

“弹性体可以防止水凝胶脱水，”麻省理工学院博士后陈说。“只有当水凝胶高度水合时，声波才能有效穿透并提供内部器官的高分辨率成像。”

底部弹性体层设计用于粘附在皮肤上，而顶层则粘附在团队也设计和制造的刚性换能器阵列上。整个超声波贴纸的宽度约为2平方厘米，厚度约为3毫米——大约是一张邮票的面积。

研究人员通过对健康志愿者的一系列测试对超声波贴纸进行了测试，这些志愿者将贴纸贴在身体的各个部位，包括颈部、胸部、腹部和手臂。这些贴纸一直附着在他们的皮肤上，并在长达48小时内产生清晰的底层结构图像。在此期间，志愿者们在实验室进行了各种活动，从坐姿和站姿到慢跑、骑自行车和举重。

从贴纸的图像中，团队能够观察到坐着和站着时主要血管直径的变化。这些贴纸还捕捉到了更深层器官的细节，例如心脏在运动过程中如何改变形状。研究人员还能够看到胃扩张，然后在志愿者喝水时收缩，然后将果汁排出系统。当一些志愿者举重时，该团队可以检测到潜在肌肉中的明亮图案，这表明存在暂时的微损伤。

“通过成像，我们可能能够在过度使用之前捕捉到锻炼的瞬间，并在肌肉变得酸痛之前停下来，”陈说。“我们不知道那一刻可能何时到来，但现在我们可以提供专家可以解释的成像数据。”

该团队正在努力使贴纸以无线方式运行。他们还在开发基于人工智能的软件算法，可以更好地解释和诊断贴纸的图像。然后，赵设想超声贴纸可以被患者和消费者打包购买，不仅可以用来监测各种内脏器官，还可以监测肿瘤的进展，以及子宫内胎儿的发育情况。

“我们想象我们可以有一盒贴纸，每一个都旨在描绘身体的不同位置，”赵说。“我们相信这代表了可穿戴设备和医学成像方面的突破。”

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