徐升团队最新Nature NBE：可拉伸超声阵列，实现深层组织模量三维测绘！
人体组织的机械特性可以反映出人体生理系统的结构和功能。因此，通过对各种器官进行机械特性分析，可以及时评估组织的生长、代谢状态、免疫功能和激素调节等。在临床医学上，通过对患病组织的机械性能如模量的测量，既可以得知病患的病理生理状况。对这种特性的监测可以提供有关疾病进展的关键信息，并及时指导干预和治疗。例如，肿瘤的硬度与健康组织的硬度不同，并且在一些肿瘤中，随着它们在某些发育阶段的生长，硬度会发生变化。通过经常检查这些肿瘤的硬度，以便进行这些肿瘤的生长阶段评估和治疗指导。另一个案例在于肌肉骨骼疾病和损伤的诊断和康复中，在这些过程中，对肌肉机械特性的研究也是至关重要的。肌肉模量的监测能够对危险区域进行更主动的筛选。
目前组织模量测量的方法是通过直接取样测量，该方法具有一定的破坏性，并且只能用于短期测量，或没有足够的穿透深度或空间分辨率。理想的测量技术应该是可以提供无创和三维（3D）的深层组织模量地图，并提供准确的位置、形态和机械信息。然而，现有的方法无法满足这一关键需求。
超声法测定物质的模量已经在材料测试领域被广泛应用，该方法可以实现对材料的无损测定。近期，为了填补这一技术空白，加州大学圣地亚戈分校徐升教授团队基于超声测量材料模量的方法，设计了一个可拉伸超声波阵列，并且在设备工程和成像算法方面取得突破，实现了绘制体内组织模量的三维分布图。这一可拉伸的超声波阵列，可以用于对皮下4厘米以内的组织进行连续的非侵入性弹性测量，空间分辨率为0.5毫米。该阵列与人体皮肤相适应，并与之进行声学耦合，从而实现精确的弹性成像。相干的复合成像策略可以实现精确的位移计算，因此在整个声学窗口中增强了弹性成像的信噪比（SNRe）和对比度噪声比（CNRe）。对延迟发生的肌肉酸痛的体内研究表明，这项技术可以以非侵入性的串行方式跟踪肌肉损伤的恢复进展，并提供治疗指导。这些结果表明，这是一种监测组织机械性能的方便而有效的方法，有利于许多疾病和症状的诊断和治疗。该工作以题为“Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue”的文中发表于Nature Biomedical Engineering上。
可拉伸超声阵列设备的工作原理、设计和制造
传统的刚性超声探头的测量可能会受到不良声学耦合的影响，因为其刚性表面不能适应人体的曲线形状。为了解决这个问题，徐升教授团队们设计了一个用于模量测量的可拉伸超声波阵列。该阵列可以通过一种硅基耦合剂与人体皮肤相适应并进行声学耦合，以实现高质量成像。阵列被激活后，超声波被送入设备下方的组织。散射源（例如，组织界面）可以反射超声波，超声波携带这些散射源的位置信息。然后，反射波被阵列中的换能器元件作为射频数据接收。然后通过接收波束成形对每个元件收集的射频数据进行增强。之后，通过准静态单轴压缩对组织施加0.5-1%的应变。低应变确保组织表现出线性应力-应变行为-即它们的杨氏模量不随负载变化。压缩后，阵列间距的最大变化仅为0.02%。因此，相关的相位畸变对于发射和接收波束成形都是可以忽略的。使用归一化交叉相关算法来比较压缩前后的射频数据，并以高超的声学灵敏度和准确性计算散射源的位移。用最小二乘法的应变估计器被用来将位移转换为应变，同时将可能的波动降到最低。
由于复合材料对剪切振动的抑制，以及元件之间硅橡胶的阻尼作用，元件之间的串扰低于标准的-30d。匹配电路有效地将共振频率的插入损耗降低到16.98 dB，与商业探头（17 dB）相当。在水下测量2周的声像图信噪比的标准偏差很小（0.87分贝），这是因为封装的硅树脂弹性体具有良好的防水性能。该装置可以在各种模式下进行可逆变形。在不影响其机电性能的情况下，该装置的最大双轴伸展性为~40%。
对生物组织进行验证和监测
在4厘米厚的多层猪腹部组织上验证了可拉伸阵列对组织模量的三维成像性能。超声贴片中的每个1×16的线性阵列可以映射出一个二维截面位移场和相应的模量分布。通过整合16片模量图，以0.8毫米的间距重建一个三维弹性图，测量和预测的位移场之间的平均差异为3%。三维图像说明了软组织的异质性。腹横肌、腹内斜肌、筋膜和肌间脂肪的平均测量模量对比，与文献中的数据相当。
这种可以实现连续监测的方法需要具有长期可重复性的稳定性，并具有拾取目标组织动态变化的高灵敏度。通过用可拉伸的超声波阵列和商用探头对商用模型进行8周的测试。我们比较了两种方法测得的质量和基质之间的应变对比，所有的数据点都在95%的置信区间内，显示了可拉伸阵列和商业探头之间的出色一致性。此外，0.02的小偏置误差显示了可拉伸阵列的高精度，0.09的小精度误差显示了该装置长期重复测量的稳定性。为了测试可拉伸阵列的弹性敏感度，我们在控制单侧加热的情况下测量一块牛臀肌，因为它的模量逐渐增加。测量持续了165分钟。结果清楚地表明，在加热前，该组织在整个深度上具有较低的模量。当从底部加热时，靠近热源的组织区域开始变硬，因为肌纤维中的肌动蛋白变得坚硬和短小，排出液体，使结构变密。随着加热的继续，高模量区逐渐增大，而高模量区和低模量区之间的边界仍然清晰地界定。这些记录显示了可拉伸阵列对深层组织力学进行连续监测的能力。
小结：该文报道了一种可拉伸超声阵列可以对深部组织的机械性能进行连续的、非侵入性的三维测绘，这是之前任何现有设备都没有实现的。由于战略性阵列设计、新的微细加工技术和有效的超声发射模式，该阵列具有较高的空间分辨率和对比度分辨率。可拉伸的超声阵列可以在受试者自身感觉之前检测到肌肉损伤，因此能够及时干预，防止累积性创伤疾病的发生。除了肌肉损伤，这项技术还有可能实时监测肿瘤的大小和模量，并为治疗决策提供信息，为基础肿瘤学研究和临床实践提供一种新的分析方法。总之，这些发现表明，可拉伸的超声波阵列是对现有临床监测方式的补充，可以作为一种独特的使能技术，用于定量感知和治疗许多深层组织状况。
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来源：高分子科学前沿
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