人体组织的力学性能对人体生理系统的结构和功能至关重要。对各种器官进行频繁的机械表征可以及时评估组织生长、代谢状态、免疫功能和激素调节。最重要的是，病变组织的机械特性通常可以反映病理生理状况。对这些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。例如，已知肿瘤的硬度不同于健康组织的硬度。此外，在某些肿瘤中，当它们在某些发育阶段生长时，硬度会发生变化，而且这些变化会很快发生。需要经常检查这些肿瘤的硬度以进行生长阶段评估和治疗指导。机械表征对于许多肌肉骨骼疾病和损伤的诊断和康复也至关重要。肌肉模量的监测可以更主动地筛查风险区域。组织模量的监测也已被证明有助于早期发现和跟踪心血管疾病。理想的技术应该提供具有精确位置、形态和机械信息的深层组织的非侵入性三维（3D）映射。然而，现有的方法无法满足这一关键需求。为了填补这一技术空白，加州大学圣地亚哥分校徐升等人报告了一种在设备工程和成像算法方面取得进步的可拉伸超声波阵列。通过新的微制造协议，可以实现出色的换能器机电耦合。值得注意的是，今年年初，该研究团队就在Nature上报道了一种可穿戴超声贴片，即使佩戴者在移动，也能对心脏进行连续成像。该成像器体积很小，无需手持或繁琐的固定即可贴合人体。它具有与皮肤相似的弹性，因此对用户的日常活动的限制最小。（超声贴片，才发Science，今再登Nature！）
相干复合成像策略可实现精确的位移计算，从而提高整个超声窗口中的弹性成像信噪比 (SNRe) 和对比度噪声比 (CNRe)。通过解决反弹性问题，可以推导出定量模量分布，与传统准静态弹性成像获得的定性应变分布相比，这是一个飞跃。传统刚性超声探头由于无法适应人体曲线形状而导致声耦合不佳。为此，研究人员设计了一种可伸缩的超声阵列，具有以下特点：1）可伸缩性: 该超声阵列可以与人体皮肤接触并适应其曲线形状。通过使用一种基于硅的耦合剂，实现了与皮肤的高质量声耦合。2）工作原理: 当激活阵列后，超声波被发送到设备下方的组织中。散射源（例如组织界面）会反射超声波，携带这些散射源的位置信息。阵列中的换能器元件以射频数据的形式接收反射波。3）数据处理: 通过接收波束成形，增强每个元件收集到的射频数据。然后，对比压缩前后的射频数据使用归一化的互相关算法，计算出散射源的位移，具有高超声敏感性和准确性。使用最小二乘应变估计算法将位移转化为应变，同时最小化可能的波动。4）模量感测: 通过解决反弹性问题，对组织内部的模量分布进行定量量化。这样可以获得组织的弹性信息，进一步用于成像和诊断。5）材料和性能: 选择了适当的中心频率和精心设计的阵列间距，以平衡高空间分辨率和超声波在组织中的频率依赖线性衰减。采用了可扩展的方法来对齐阻尼材料和换能器元件，提高制造效率和性能一致性，并避免潜在的相位畸变。通过优化设计，实现了低插入损耗、优秀的超声灵敏度和信噪比，以及可靠的防水性能。
研究人员通过对各种人工模型和离体生物标本进行测试，并通过磁共振弹性成像 (MRE) 进行定量验证，展示了该技术的可靠性。对迟发性肌肉酸痛的体内研究表明，该技术能够以无创的连续方式追踪肌肉损伤的恢复进程，提供治疗指导。除了肌肉损伤，这项技术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。总而言之，这种可伸缩超声阵列在超声成像中具有广泛应用潜力，可以有效地适应人体曲线形状，提供高质量的图像，并获得组织的弹性信息，有助于医学诊断和研究。未来的发展可能会利用先进的光刻、切割和拾放技术来进一步优化阵列设计和制造，这可以减少间距并扩大孔径，以实现更高的空间分辨率和更宽的超声窗口。此外，可拉伸超声波阵列目前采用有线连接，用于数据和电力传输。由基于桌面的接口系统承担的那些后端任务，例如电子控制、脉冲发生器和接收器以及数据处理，可以通过柔性印刷电路板来实现。随着低功耗集成电路和柔性锂聚合物电池技术的出现，可以设想整个硬件在保持其高性能的同时可以实现完全便携。Hu, H., Ma, Y., Gao, X. et al. Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue. Nat. Biomed. Eng (2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01038-w
