科技突破：可穿戴贴片监测器官健康，提前发现疾病迹象
近期，麻省理工学院（MIT）和南加利福尼亚大学（USC）的科学家们取得了一项引人注目的突破，他们研发出一种小型超声贴片，可以贴在皮肤上，监测身体深处器官的硬度，以便及早发现疾病迹象，如肝肾功能衰竭或实体肿瘤的进展。这项被称为可穿戴生物黏附超声弹性成像（BAUS-E）的技术，其尺寸仅为邮票大小，包含一个薄薄的换能器阵列，将声波通过皮肤传入体内，波通过内部器官反射回传感器。反射波的模式可被解读为器官硬度的标志，而这款贴片可以测量和追踪这一硬度。
在一篇发表在《Science Advances》杂志上的研究中，该团队展示了BAUS-E贴片能够持续监测器官硬度长达48小时，并检测到微妙的变化，这可能预示着疾病的发展。在初步实验中，研究人员发现这个粘性传感器能够检测到大鼠中诱导的急性肝功能衰竭的早期迹象。
MIT的机械工程教授、论文的高级作者赵宣贺博士表示：“当一些器官患病时，它们可能会随着时间而变硬。有了这款可穿戴贴片，我们可以持续监测硬度的变化，这对于早期诊断内部器官衰竭至关重要。”
南加利福尼亚大学助理教授、研究的第一作者刘孝川博士在研究时曾在MIT担任访问科学家，他补充说：“我们设想，在肝脏或肾脏移植后，我们可以将这个贴片贴在患者身上，观察器官硬度在几天内的变化。如果有任何急性肝功能衰竭的早期诊断，医生可以立即采取行动，而不是等待病情变得严重。”
目前，工程师们正在努力调整设计以适应人体使用。他们设想这个贴片可以应用于重症监护室，低调的传感器可以持续监测器官移植后康复的患者。在论文中，赵、刘等人总结道：“BAUS-E在临床应用方面具有潜力，特别是在器官移植后或在重症监护室进行术后护理中…”
与我们的肌肉一样，随着年龄增长，我们体内的组织和器官也会变得更加僵硬。在某些疾病中，器官变得更加硬化可能表明潜在的健康下降。临床医生目前有办法使用超声切向波弹性成像（SWE）等技术测量器官的硬度，这是一种类似超声成像的快速而无创的技术。现有的超声弹性成像探头通过测量切向波或器官对声波脉冲的振动来衡量器官的硬度。切向波在器官中传播得越快，器官就被解释为越硬（类似于水球和足球的反弹）。
该技术通常在重症监护室中用于监测刚接受器官移植手术的患者。技术人员通过在皮肤上操作手持式探头或探棒。探头通过身体发射声波，导致内部器官轻微振动并发送波返回。探头感知器官诱发的振动，振动的模式可以转换成器官的摇摆或硬度。
技术人员会定期使用这种技术，以迅速探查新器官并寻找硬化和潜在急性衰竭或排斥的迹象。研究人员指出：“先前的研究报告称，使用传统的超声SWE测量的肝脏硬度是一个可靠的生物标志物，与健康对照组相比，急性肝功能衰竭的危重病患者中显著增加。”然而，他们继续说道，“传统超声弹性成像的固有局限性在于它要求临床医生手持超声探头进行检查，无法持续监测器官硬度在急剧变化的疾病过程中的变化…据我们所知，目前没有超声弹性成像技术能够在短短几小时内提供对内部器官硬度的连续测量。”
南加利福尼亚大学的合著者、教授周其发博士补充说：“器官移植后的前72小时在重症监护室中至关重要。使用传统超声时，需要将探头置于身体上。但不能长时间持续这样做。医生可能会错过一个关键时刻，直到器官衰竭才意识到为时已晚。”
研究人员意识到他们可能能够提供一种更连续、可穿戴的替代方案。这项新技术是他们先前开发的用于成像深层组织和器官的超声贴片的扩展。“我们的成像贴片捕捉的是纵波，而这次我们想捕捉剪切波，这将告诉你器官的硬度，”赵解释道。
团队致力于将超声弹性成像技术缩小至邮票大小的贴片。他们还旨在保持与商业手持式探头相同的灵敏度，这些探头通常包含约128个压电换能器，每个换能器将传入的电场转化为输出的声波。
为了创建BAUS-E技术，研究人员精确制造了128个微型换能器，将它们整合到一个25毫米方形芯片上。“薄薄的换能器阵列可以产生声辐射作为激励源，产生用于弹性成像测量的剪切波，”他们指出。芯片的底部覆盖了一种由水和聚合物混合而成的水凝胶胶粘剂，使声波几乎没有损失地传播到和从设备中。周博士说：“我们使用先进的制造技术从高质量的压电材料中切割小换能器，这使我们能够设计微型化的超声贴片。”
在初步实验中，团队在大鼠中测试了这款感知硬度的贴片。他们发现，这些贴片能够在48小时内连续测量肝脏硬度。“BAUS-E被用于连续监测大鼠急性肝功能衰竭期间肝脏硬度的变化，监测间隔为6小时，共计48小时，”他们写道。从贴片收集的数据中，研究人员观察到了大鼠在不同急性肝功能衰竭进展阶段的硬度变化的清晰而早期的迹象，这后来通过组织样本得到了确认。“我们证明了可穿戴BAUS-E能够提供随时间连续测量的活模数，并能有效区分不同阶段急性肝功能衰竭进展的肝脏硬度变化与正常肝脏相比。这有望为急性肝功能衰竭的早期预测提供帮助，并在重症监护室内肝移植后评估移植物状态方面提供帮助。”
刘孝川指出：“一旦肝脏发生衰竭，器官的硬度将增加数倍。”赵宣贺补充说：“你可以从健康的肝脏像软煮鸡蛋一样摇摆，到患病的肝脏更像是硬煮鸡蛋。而这个贴片能够在身体深处捕捉到这些差异，并在器官衰竭发生时提供警报。”
研究人员正在与临床医生合作，调整这款贴片以适应重症监护室中器官移植后康复的患者。在这种情况下，他们不预计贴片的当前设计会有太大变化，因为它可以贴在患者的皮肤上，任何它发出和接收的声波都可以通过连接到贴片的电子设备进行传递和收集，类似于医生办公室中的电极和心电图机。
研究人员还希望将贴片设计成更便携、自封闭的版本，所有附带的电子设备和处理器都被微型化以适应略大一点的贴片。“在不久的将来，我们计划将外部电源和数据处理集成到芯片中，以便制作便携式样式的全能BAUSE-E，用于临床应用，”他们表示。研究人员还设想，贴片可以由患者在家中佩戴，以持续监测更长时间的条件，如实体肿瘤的进展，因为众所周知，这些肿瘤随着病情加重而变得更加坚硬。
“我们相信这是一项拯救生命的技术平台，”赵宣贺说。“未来，我们认为人们可以在身体上粘贴几个贴片来测量许多重要信号，并对身体的主要器官进行成像和跟踪健康状况。”
正如作者在论文中总结的：“BAUS-E在扩展超声可穿戴设备的实质应用方面具有巨大潜力，例如在重症监护室中接受器官移植的患者、癌症研究以及临床环境中的急性失代偿性心力衰竭等领域…”
参考文献：Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography
编辑：王洪
排版：李丽
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