Science | 创新可穿戴超声技术:生物粘附超声系统Bioadhesive Ultrasound实现长程多器官监测

文摘   2024-12-04 19:30   日本  
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      今天的文章中,超哥为大家介绍一种创新的生物粘附超声(BAUS)设备,用于长期、连续地监测内脏器官。传统的超声成像设备通常笨重,限制了其在长期监测中的应用,而BAUS设备采用了水凝胶-弹性体复合耦合剂,通过生物粘附层实现与皮肤的稳固附着,确保在动态运动下能够持续监测长达48小时。该设备采用3D打印和光刻技术制造,具有3、7或10 MHz的高性能压电元件,适用于血管、肌肉、心脏、胃肠道、肺部等器官的实时成像。BAUS设备的粘附力和声学性能经过严格测试,结果显示其能有效保持附着力并实现高分辨率的成像,特别是在监测血流、肌肉收缩、心脏动态等方面表现出色。该设备不仅可用于临床病患的持续监测,还为家庭健康监测和生物学研究提供了新的解决方案。未来,BAUS设备有望通过更小型化的元件和更精准的成像技术,进一步提升其在精准医疗中的应用,推动早期疾病筛查和健康管理的发展。 
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什么是生物粘附超声技术:

生物粘附超声技术是一种结合了超声成像和生物粘附材料的创新技术,旨在提供长期、非侵入性的内脏器官成像。这项技术通过利用具有生物粘附性能的材料,使超声传感器能够牢固地附着在皮肤上,且在动态运动或长期佩戴的情况下不会脱落,从而实现连续的超声成像。

传统的超声成像设备通常体积较大,需要手持或放置于身体上,使用时需要物理接触和定位。而生物粘附超声技术则通过水凝胶-弹性体复合耦合剂与皮肤的紧密接触,克服了这一限制,使得设备能够在皮肤上稳定附着,且能够长时间、稳定地进行成像。

生物粘附超声技术的关键优势在于:

  1. 长期监测:能够在动态运动下保持稳定附着,提供长达48小时以上的连续成像,适用于器官健康的长期监测。


  2. 非侵入性:相比传统的侵入性监测方法,生物粘附超声提供了一种非侵入性的方式来监测内部器官功能


  3. 高分辨率成像:该技术可实现高分辨率的实时成像,广泛应用于血管、心脏、肌肉、胃肠等器官的动态监测。


  4. 便捷性和舒适性:设备小巧轻便,佩戴舒适,可用于家庭健康监测和长期疾病管理

可穿戴医疗设备在精准医学中扮演着越来越重要的角色,尤其是在内部器官的长期非侵入性监测方面。尽管现有的可穿戴技术在监测表面生理数据(如心电图和汗液代谢物)方面取得了一定成功,但对于内部器官的高质量连续成像仍存在诸多挑战。超声作为一种无创成像技术,能够高效评估组织和器官功能,但传统的超声成像设备通常较为笨重,限制了其长期监测的应用。生物粘附超声(BAUS)设备的出现,突破了传统超声设备的局限,能够实现高质量的持续成像,克服了常规系统的诸多问题。

BAUS设备的设计与组成

BAUS设备包括一个薄型刚性超声探头,通过水凝胶-弹性体混合物耦合剂附着于皮肤。探头包含高性能的压电元件,工作频率为3、7或10 MHz。这些压电元件由顶部和底部电路控制,采用3D打印、激光蚀刻和光刻技术制造。耦合剂由软质、韧性强的水凝胶和聚氨酯弹性体膜封装,确保强大的附着力和有效的声波传输。弹性体膜涂有生物粘附层,能够在动态运动中持续附着最长48小时,适合用于长期连续成像。

通过耦合层附着在皮肤上的刚性设备的机械模型示意图。E 为耦合剂的杨氏模量;Es 为皮肤的杨氏模量;H 为耦合层的厚度;L 为设备的长度。

材料特性与制造工艺

BAUS系统采用了由壳聚糖-聚丙烯酰胺交联水凝胶制成的水凝胶,这种水凝胶通过薄层弹性体膜进行封装,以防止水分流失并提高与皮肤的接触效果。水凝胶-弹性体复合物表面涂覆了由聚乙烯醇二丙烯酸酯和丙烯酸衍生物制成的生物粘附层,这种层通过物理和共价键与皮肤形成牢固的连接。整体膜层厚度保持在超声波波长的四分之一以内,最大程度减少了声波衰减。

通过光刻和完整设备组装制造顶部和底部电路:为了实现高分辨率电路的制造,我们使用掩模对准器进行光刻,随后通过电子束蒸发器进行金属沉积。接下来,我们将高分辨率电路通过转印技术转移到环氧基板上。然后,我们在每个裸电极上涂抹焊膏,用于与单独的元件连接,接着通过加热(150°C,5分钟)进行焊接处理。当每个元件完全连接到电路上后,我们通过旋涂的方式在顶部和底部电路上添加支撑层和匹配层。最终,我们使用环氧树脂将探头封装,以增加设备的坚固性。最后一步是为设备添加一个柔性平面电缆连接器。

性能评估

BAUS设备的粘附力在动态运动下得到了验证。通过有限元模拟和实验测试,设备能够在皮肤变形时保持稳定附着,无脱落现象。接触界面韧性(即设备与皮肤之间的结合强度)测试表明,BAUS设备的韧性值超过500 J/m²,明显高于传统液体和固态水凝胶耦合剂。

声学性能评估显示,BAUS耦合剂在1到10 MHz的频率范围内保持低衰减,衰减系数为0.036到0.131 dB/mm。这对于确保有效的声波传输和稳定的成像非常关键。

BAUS 耦合剂在皮肤上 48 小时内的稳定附着力。A. 生物粘附耦合剂在身体不同部位(手臂、颈部、胸部、腰部)稳定附着的示意图。B. 生物粘附耦合剂在身体不同部位(手臂、颈部、胸部、腰部)上 48 小时内稳定附着的照片(相对湿度:30-50%;温度:24°C)。比例尺,10 毫米。

成像性能与长期使用

BAUS设备可连续成像多种器官,包括血管、肌肉、心脏、胃肠道、膈肌和肺部,监测时间可持续48小时。对于浅表器官(如颈静脉和颈动脉),使用7或10 MHz的探头,并采用平面波复合方法。对于较深的器官(如心脏和肺部),使用3 MHz的探头并采用相控阵成像方法。

颈动脉和颈静脉的48小时连续成像,每隔0.5小时保存一张图像或一段短视频

成像结果显示,BAUS设备能够提供高分辨率的血流、肌肉收缩、膈肌活动、心脏动态和胃肠运动图像。例如,通过连续监测血压波形,设备能够在剧烈运动后显示收缩压的显著变化。类似地,心脏和膈肌的动态在运动前后得到了清晰的展示,显示了运动对心脏负荷和膈肌活动的影响。BAUS设备还能够实现对肺部、胃部和其他深层组织的成像,证明其在深浅层组织动态监测中的持续成像能力。与现有的可穿戴超声设备相比,BAUS设备的持续监测时间更长,分辨率更高,且无需重新校准或调整探头。

肱二头肌的48小时连续成像。在运动前、1小时举重训练后2小时以及举重训练后10小时保存图像

应用与未来发展

BAUS系统在临床上的应用前景广阔,特别是在重症监护或慢性病管理中,能够实现对患者器官的长期连续监测。它可以用于心脏病、呼吸系统疾病和胃肠疾病患者的持续监测。除此之外,设备的非侵入性特性使其适用于家庭监测,能够提供患者在临床以外的健康数据。

BAUS 设备在身体运动下的成像性能。A. 在动态身体运动(包括慢跑和骑行)下的心脏成像。B. 在动态身体运动(包括慢跑和骑行)下的肺部成像。

该系统还为发育生物学研究开辟了新机遇,能够实现对胚胎或肿瘤器官发育过程的连续成像,推动相关发现的进展。除临床应用外,BAUS也可能在早期疾病筛查中发挥作用,通过连续监测器官动态,提供主动健康管理的解决方案。未来的改进方向可能包括通过微型化元件进一步提高分辨率,并在成像深度上实现更好的聚焦。设备的紧凑设计和实时成像能力,将为可穿戴医疗设备的应用开辟新的道路。

长期连续BAUS成像:肺部、膈肌、心脏和胃部 (A) BAUS设备附着在受试者胸部,用于成像肺部的示意图。(B) BAUS成像显示平滑的胸膜线和肺部重复的A线。(C) BAUS成像(右图)清晰显示膈肌形态,左侧为BAUS设备的放置示意图。(D) 经历0.5小时的体育锻炼后,膈肌的活动幅度和频率显著增加。(E) BAUS成像展示了心脏四个腔室的动态。左心室的大小在0.5小时的体育锻炼后显著增大。(F) BAUS成像展示了胃部的动态。在受试者饮用450毫升果汁后,胃窦横截面积逐渐减小。

结论

BAUS设备代表了可穿戴超声技术的重要进步,提供了一种非侵入性的长期内脏器官连续成像解决方案。其强大的附着力、高分辨率成像和在动态条件下的稳定性,使其成为一个具有广泛应用前景的工具,尤其是在临床和研究应用中。随着技术的进一步发展,BAUS将能够在精准医学中扮演重要角色,提供实时数据以促进疾病管理,并加深我们对生物学过程的理解。

参考文献

Wang, Chonghe, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou, and Xuanhe Zhao. "Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs." Science 377, no. 6605 (2022): 517-523.


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