麻省理工学院的工程师们开发了一种小型超声波贴纸，可以监测身体深处器官的硬度。这种邮票大小的贴纸可以贴在皮肤上，用来识别疾病的迹象，比如肝肾衰竭和实体瘤的进展。
在一项发表在《科学进展》杂志上的开放获取研究中，研究小组报告说，这种传感器可以通过皮肤发送声波，进入人体，声波被内脏反射，然后回到贴纸上。反射波的模式可以被读取为器官刚度的标志，贴纸可以测量和跟踪。
该论文的资深作者、麻省理工学院机械工程教授赵宣和说:“当一些器官患病时，它们会随着时间的推移而变得僵硬。”“有了这种可穿戴贴纸，我们可以长时间持续监测硬度的变化，这对早期诊断内脏衰竭至关重要。”
该团队已经证明，这种贴纸可以在48小时内连续监测器官的僵硬度，并检测出可能预示疾病进展的细微变化。在初步实验中，研究人员发现这种粘性传感器可以检测出大鼠急性肝衰竭的早期迹象。
工程师们正在努力使这种设计适用于人类。他们设想这种贴纸可以用于重症监护病房(icu)，在那里，低调的传感器可以持续监测从器官移植中恢复的患者。
“我们想象，在肝脏或肾脏移植后，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是如何变化的，”主要作者刘小川说。“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，而不是等到病情变得严重。”
刘在研究期间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和王崇和，以及南加州大学的合作者。
就像我们的肌肉一样，随着年龄的增长，我们体内的组织和器官也会变硬。对于某些疾病，僵硬的器官可能会变得更加明显，这表明健康状况可能急剧下降。
临床医生目前有办法使用超声弹性成像技术来测量肾脏和肝脏等器官的硬度。超声弹性成像技术类似于超声成像技术，技术人员在皮肤上操作手持探针或魔杖。这种探针将声波发射到人体内部，声波会引起人体内部器官的轻微振动，并将声波传回人体。探针感知器官的感应振动，振动的模式可以转化为器官的摆动或僵硬程度。
超声弹性成像通常用于ICU监测最近接受器官移植的患者。手术后不久，技术人员会定期检查病人，快速探查新器官，寻找僵硬和潜在急性衰竭或排斥反应的迹象。
“器官移植后，前72小时在重症监护室是最关键的，”另一位资深作者、南加州大学教授周启发说。“使用传统的超声波，你需要将探头对准身体。但你不可能长期持续这样做。医生可能会错过一个关键时刻，意识到器官正在衰竭时为时已晚。”
该团队意识到，他们可能能够提供一种更连续、更可穿戴的替代品。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:“我们的成像贴纸在纵波上拾取，而这次我们想拾取横波，这将告诉你器官的刚性。”
现有的超声波弹性成像探头可以测量剪切波，或者器官在声波脉冲下的振动。横波在器官中传播得越快，器官就越坚硬。(想想水球和足球的反弹。)
该团队希望将超声弹性成像缩小到适合邮票大小的贴纸。他们还试图保持与商用手持探头相同的灵敏度，商用手持探头通常包含大约128个压电换能器，每个换能器将入射电场转换为输出声波。
“我们使用先进的制造技术从高质量的压电材料中切割出小型换能器，这使我们能够设计出小型化的超声波贴纸，”周说。
研究人员精确地制造了128个微型传感器，并将它们集成到一个25平方毫米的芯片上。他们在芯片的底部涂上了一种由水凝胶制成的粘合剂，水凝胶是一种粘性和弹性的材料，是水和聚合物的混合物，它可以让声波在进出设备时几乎没有损失。
在初步实验中，研究小组在大鼠身上测试了硬度感应贴纸。他们发现，这些贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集的数据中，研究人员观察到急性肝衰竭的明显早期迹象，他们后来用组织样本证实了这一点。
“一旦肝脏衰竭，这个器官的硬度会增加数倍，”刘说。
赵补充说:“你可以从一个健康的肝脏像半熟的鸡蛋一样摇摇晃晃，到一个患病的肝脏更像一个煮熟的鸡蛋。”“这种贴纸可以发现身体深处的这些差异，并在器官衰竭时发出警报。”
该团队正在与临床医生合作，使这种贴纸适用于ICU中器官移植后康复的患者。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通过连接到贴纸上的电子设备来传递和收集，类似于医生办公室里的电极和心电图机。
研究人员还希望将贴纸制作成更便携、自封闭的版本，所有附带的电子设备和处理都小型化，以适应更大的贴片。然后，他们设想这种贴纸可以让病人在家里佩戴，以长时间持续监测病情，比如实体瘤的进展，已知实体瘤会随着严重程度而变硬。
“我们相信这是一个拯救生命的技术平台，”赵说。“在未来，我们认为人们可以在身上贴一些贴纸来测量许多重要信号，并对身体主要器官的健康状况进行成像和跟踪。”
更多资料:刘晓川等，可穿戴生物胶粘剂超声剪切波弹性成像，Science Advances(2024)。DOI: 10.1126 / sciadv.adk8426。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk8426期刊信息:麻省理工学院提供的科学进展
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引用超声贴纸可以感知内脏器官硬度的变化，可以帮助识别急性肝衰竭的早期迹象(2024年2月9日)
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