麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一種小型超聲波貼紙，可以監(jiān)測身體深處器官的硬度。這種貼紙大約有郵票那么大，可以貼在皮膚上，旨在發(fā)現(xiàn)疾病的跡象，如肝腎衰竭和實體瘤的進展。

放在手臂上的是一個橙色貼紙原型。手臂稍微轉(zhuǎn)動以顯示貼紙的粘性，因為它仍然留在手臂上。

圖片來源：由研究人員提供

在今天發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）上的一項開放獲取研究中，該團隊報告說，該傳感器可以通過皮膚將聲波發(fā)送到體內(nèi)，在那里聲波從內(nèi)臟反射并返回貼紙。反射波的模式可以被解讀為器官剛度的特征，貼紙可以測量和跟蹤。

“當某些器官發(fā)生疾病時，它們會隨著時間的推移而變硬，”該論文的作者、麻省理工學(xué)院機械工程教授趙璇和說�！坝辛诉@種可穿戴貼紙，我們可以長時間持續(xù)監(jiān)測剛度的變化，這對于內(nèi)臟器官衰竭的早期診斷至關(guān)重要�！�

該團隊已經(jīng)證明，貼紙可以在48小時內(nèi)持續(xù)監(jiān)測器官的僵硬程度，并檢測可能預(yù)示著疾病進展的細微變化。在初步實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)粘性傳感器可以檢測大鼠急性肝衰竭的早期跡象。

工程師們正在努力調(diào)整設(shè)計以用于人類。他們設(shè)想這種貼紙可以用于重癥監(jiān)護室（ICU），在那里，低調(diào)的傳感器可以持續(xù)監(jiān)測從器官移植中恢復(fù)的患者。

“我們想象，在肝臟或腎臟移植之后，我們可以將這個貼紙貼在患者身上，并觀察器官的僵硬度在幾天內(nèi)如何變化，”主要作者Hsiao-Chuan Liu說�！叭绻�有任何急性肝衰竭的早期診斷，醫(yī)生可以立即采取行動，而不是等到病情變得嚴重。在這項研究時，劉是麻省理工學(xué)院的訪問科學(xué)家，目前是南加州大學(xué)的助理教授。

該研究的麻省理工學(xué)院合著者包括Xiaoyu Chen和Chonghe Wang，以及南加州大學(xué)的合作者。

感應(yīng)晃動

就像我們的肌肉一樣，我們身體的組織和器官會隨著年齡的增長而變硬。對于某些疾病，僵硬的器官可能會變得更加明顯，這表明健康可能會急劇下降。臨床醫(yī)生目前有辦法使用超聲彈性成像來測量腎臟和肝臟等器官的硬度，這是一種類似于超聲成像的技術(shù)，其中技術(shù)人員在皮膚上操縱手持探頭或魔杖。探頭通過身體發(fā)送聲波，導(dǎo)致內(nèi)臟輕微振動并發(fā)出波作為回報。探頭感應(yīng)器官的感應(yīng)振動，振動的模式可以轉(zhuǎn)化為器官的搖晃或僵硬程度。

超聲彈性成像通常用于 ICU 以監(jiān)測最近接受過器官移植的患者。技術(shù)人員在手術(shù)后不久定期檢查患者，以快速探查新器官并尋找僵硬和潛在的急性衰竭或排斥反應(yīng)的跡象。

“器官移植后，ICU的前72小時是最關(guān)鍵的，”另一位作者，南加州大學(xué)教授Qifa 周說。“使用傳統(tǒng)的超聲波，您需要將探頭放在身體上。但從長遠來看，你不能一直這樣做。醫(yī)生可能會錯過一個關(guān)鍵時刻，意識到器官正在衰竭為時已晚。

該團隊意識到，他們可能能夠提供一種更連續(xù)的可穿戴替代方案。他們的解決方案擴展了他們之前開發(fā)的超聲貼紙，用于對深層組織和器官進行成像。

“我們的成像貼紙是在縱波上拾取的，而這次我們想拾取橫波，這將告訴你器官的剛度，”趙解釋說。

現(xiàn)有的超聲彈性照探頭可測量剪切波或器官對聲波脈沖的振動。橫波在器官中傳播得越快，器官被解釋為越硬。（想想水氣球與足球的反彈。

該團隊希望將超聲彈性成像小型化，以適合郵票大小的貼紙。他們還旨在保持與商用手持式探頭相同的靈敏度，這些探頭通常包含約128個壓電換能器，每個壓電換能器將入射電場轉(zhuǎn)換為傳出聲波。

“我們使用先進的制造技術(shù)從高質(zhì)量的壓電材料中切割出小型換能器，使我們能夠設(shè)計出小型超聲貼紙，”周說。

研究人員制造了128個微型換能器，并將其整合到25毫米見方的芯片上。他們在芯片的底面上鋪上了一種由水凝膠制成的粘合劑，水凝膠是一種粘性和彈性材料，是水和聚合物的混合物，這使得聲波幾乎可以毫無損失地進出設(shè)備。

在初步實驗中，研究小組在大鼠身上測試了剛度感應(yīng)貼紙。他們發(fā)現(xiàn)，貼紙能夠在48小時內(nèi)連續(xù)測量肝臟硬度。從貼紙收集的數(shù)據(jù)中，研究人員觀察到急性肝衰竭的清晰早期跡象，后來他們用組織樣本證實了這一點。

“一旦肝臟衰竭，器官的僵硬性將增加數(shù)倍，”劉指出。

“你可以從一個健康的肝臟像一個煮熟的雞蛋一樣搖搖晃晃，變成一個更像煮熟的雞蛋的患病肝臟，”趙補充道。“這種貼紙可以發(fā)現(xiàn)身體深處的這些差異，并在器官衰竭發(fā)生時發(fā)出警報。

該團隊正在與臨床醫(yī)生合作，將貼紙用于ICU器官移植康復(fù)的患者。在這種情況下，他們預(yù)計貼紙目前的設(shè)計不會有太大變化，因為它可以粘在患者的皮膚上，并且它發(fā)送和接收的任何聲波都可以通過連接到貼紙的電子設(shè)備傳遞和收集，類似于電極和心電圖機在醫(yī)生辦公室。

“這個系統(tǒng)的美妙之處在于，由于它現(xiàn)在是可穿戴的，它將允許隨著時間的推移進行低重量，順應(yīng)性和持續(xù)監(jiān)測，”哈佛醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)副教授，布萊根婦女醫(yī)院副生物工程師Shrike Zhang說，他沒有參與這項研究�！斑@不僅可以讓患者減少痛苦，同時實現(xiàn)對疾病進展的長期、幾乎實時的監(jiān)測，還可以讓訓(xùn)練有素的醫(yī)院人員騰出時間來完成其他重要任務(wù)。

研究人員還希望將貼紙加工成一個更便攜的自封閉版本，其中所有隨附的電子設(shè)備和處理都小型化，以適應(yīng)一個稍大的貼片。然后，他們設(shè)想患者可以在家中佩戴貼紙，以持續(xù)監(jiān)測較長時間的狀況，例如實體瘤的進展，眾所周知，實體瘤會隨著嚴重程度而變硬。

“我們相信這是一個挽救生命的技術(shù)平臺，”趙說。“在未來，我們認為人們可以在身體上貼上一些貼紙來測量許多生命信號，并成像和跟蹤身體主要器官的健康狀況。

這項工作在一定程度上得到了美國國立衛(wèi)生研究院的支持。