超声成像是用于体内软组织无创可视化的最强大和最常见的医疗工具之一。然而，超声检查需要训练有素的超声医师在患者身体表面定位和定向换能器，并且图像质量高度依赖于操作者手部的稳定性。正因为如此，超声成像在很大程度上仅限于短时间和静态的，这不仅是出于后勤方面的原因，而且还因为与换能器操作相关的重复运动对超声医师的肌肉骨骼损伤的非常现实的威胁。巧合的是，在过去十年中，世界范围内也出现了超声技师短缺的问题，认证超声医生所需的高要求和专业培训并没有帮助缓解这个问题。在过去的几年中，已经开发了几种可穿戴超声贴片。尽管换能器的薄度和柔软度有所改进，但还没有一个能满足高质量超声成像的所有贴片组织界面要求。要为实际应用做好准备，贴片必须与身体具有稳定的粘附性，来自换能器的声能必须有效地传输到体内，并且设备不得引起皮肤刺激。在标准超声检查中，液体凝胶是耦合剂，即一种可以改善换能器-组织界面处的声学传输的材料。然而，传统的超声波凝胶仅适用于短时间的成像，因为它会随着时间的推移变干或滴落。相反，弹性体和水凝胶耦合剂已被探索，但往往具有不理想的透射率或可用时间。于此，麻省理工学院赵选贺等人介绍了一种生物粘附超声 (BAUS) 贴片，他们通过将软水凝胶封装在弹性体薄膜中并在其上涂上生物粘附材料，从而结合了弹性体和水凝胶的优点，从而可能克服许多上述的突出挑战。
BAUS耦合剂由一种柔软而坚韧的水凝胶组成，该水凝胶由壳聚糖-聚丙烯酰胺互穿聚合物网络 (10 wt%) 和水 (90 wt%) 组成。水凝胶由聚氨酯薄弹性体膜（厚度<40 μm）封装，以防止水凝胶脱水并提供与干燥的耦合剂表面的舒适皮肤接触。聚氨酯膜接枝了与 N-羟基琥珀酰亚胺酯 (NHS 酯) 偶联的聚丙烯酸，与水凝胶形成牢固的结合。水凝胶-弹性体混合物进一步被一层薄的生物粘附层（厚度<10 μm）覆盖，该层由聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸和丙烯酸-NHS酯共聚合成。生物粘合剂中的羧酸、乙基和己基可以形成物理键，例如氢键和与皮肤的静电相互作用；生物粘合剂中的NHS酯基可以与皮肤形成共价酰胺键。弹性体膜和生物粘附层的总厚度小于声波波长的四分之一，以最大限度地减少 BAUS 耦合剂的声衰减。
BAUS贴片能够与皮肤粘附48小时以上，并保持透射率。柔软且粘附的BAUS耦合剂还减轻了刚性传感器阵列的刚度，使其佩戴更舒适。刚性传感器阵列允许高传感器密度，每平方厘米400个传感器。BAUS贴片为增加超声检查的可及性提供了令人振奋的机会。尽管目前，该贴片仍需要连接到非便携式的数据采集系统以处理图像，但它可以为超声医生提供即时缓解，例如，在患者接受麻醉和需要持续监测脑血流的过程中。在这种情况下，BAUS贴片可以简单地贴在患者的太阳穴上，并提供稳定的血流成像。该贴片还为内部器官的长期、动态、高分辨率成像提供了机会。例如，谨慎监测膀胱容量可以帮助患有泌尿功能障碍的人。无法感觉到膀胱充盈是尿失禁的一个原因，导致生理和心理损伤，用于测量膀胱充盈的便携式超声波设备可以为这些人提供私人警报，以缓解他们自己的压力。对于心血管疾病的管理，负荷超声心动图提供了对心脏功能的有价值的见解，包括瓣膜返流、瓣膜梯度、心室容积和心肌应变跟踪。然而，在运动过程中维护传感器探头的困难给这些检查带来了很大的后勤限制。由于与组织的出色耦合，BAUS 贴片可以在广泛的运动过程中捕获高质量的图像。肌肉成像可以量化肌肉收缩，从而增强运动训练和神经肌肉疾病的康复。此外，肺部超声成像已成为筛查呼吸道疾病（如 COVID-19）的有力工具。“一劳永逸”的超声贴片可以持续监测传染性患者，并将其暴露于医务人员的风险降到最低。然而，BAUS贴片确实存在一些局限性，需要进一步改进。该研究介绍了一种即插即用快速连接器系统，可以连接几十个传感器。然而，三维超声成像需要数千个传感器才能提供足够的分辨率。控制数千个传感器需要大量的电路和硬件，这将限制可操作性和移动性。随着涉及更多传感器，在传感器和电路之间形成互连变得更具挑战性。对“芯片上的超声波”的研究将为传感器与所需的模拟和数字处理电路的集成提供急需的条件。尽管传感器阵列制造方法不同，但BAUS耦合剂有可能改善这些系统的长期耐磨性。为了使超声对普通患者完全用户友好，可能还需要人工智能技术来协助放置和波束引导。研究人员展示了一个使用深度学习模型的交互式应用程序，该模型可指导操作员操纵换能器以生成目标解剖结构的最佳图像。展望未来，自动图像分析和解释将与图像采集一样重要。为移动超声成像提供普遍可及性的道路将需要在工程、科学和医学的不同领域共同努力。1. C. Wang et al., Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs. Science 377, 517 (2022).DOI: 10.1126/science.abo2542https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542
2. Seeing inside a body in motion. Science 2022.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc8732
个人简介：
赵选贺，美国麻省理工学院机械工程系教授。2003 年毕业于天津大学，2009 年博士毕业于哈佛大学机械工程系，师从国际著名力学家锁志刚教授。课题组致力于人与机器之间的界面上发展科学技术，以应对健康和可持续性方面的巨大社会挑战。当前研究的重点是软材料和系统的研究与开发，包括聚合物，水凝胶，生物粘合剂，生物电子学和医疗机器人。
近年来，赵选贺团队在Nature, Science, Nature Materials, Science Advances, Science Robotics, Advanced Materials, PNAS, Nature Communications, Physical Review Letters等学术杂志上发表论文160余篇。他还是美国国家科学基金会事业奖的获奖者，曾获海军研究办公室青年科学家项目奖，及AVS生物材料部的青年研究者奖。
