近些年，在醫(yī)療監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域，壓電可調(diào)諧電子技術(shù)得到了廣泛研究，涵蓋從人體生命體征解碼到機(jī)械能收集。為了深入了解和解碼深層組織，基于壓電的超聲換能器技術(shù)引起人們的關(guān)注。超聲技術(shù)可廣泛用于組織成像，例如乳腺癌診斷，然而，在大面積曲線器官的深層組織成像方面，目前仍存在挑戰(zhàn)，這限制了超聲技術(shù)與可穿戴技術(shù)的集成。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）的研究人員提出一種可穿戴、適形超聲乳房貼片（cUSBr-Patch），可以在整個(gè)乳房上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)的圖像采集。其采用受自然啟發(fā)的蜂窩狀貼片與基于壓電晶體（Yb/Bi-PIN-PMN-PT）的相控陣相結(jié)合，通過(guò)易于操作的跟蹤器引導(dǎo)定位，能夠提供大面積、深層掃描和多角度乳腺成像能力。體外研究和臨床試驗(yàn)表明，基于壓電晶體的相控陣能夠在30 mm深度表現(xiàn)出高對(duì)比度分辨率（~ 3 dB）和0.25/1.0 mm的軸向/橫向分辨率，可以觀察到乳房?jī)?nèi)的小囊腫（~ 0.3 cm）。這項(xiàng)研究工作開(kāi)創(chuàng)了用于乳腺組織成像和篩查的體表超聲技術(shù)，為監(jiān)測(cè)乳腺組織動(dòng)態(tài)變化提供了一種新的非侵入方法。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Science Advances期刊。

適形超聲乳房貼片（cUSBr-Patch）的設(shè)計(jì)概述

從超聲換能器性能（即優(yōu)異的材料特性）和乳腺成像能力（即相控陣位置的可重復(fù)性、不施加壓縮等）的角度來(lái)看，一個(gè)適形的乳房貼片需要具有增強(qiáng)的聲學(xué)特性和可靠的成像能力，并且能夠通過(guò)簡(jiǎn)易的方式獲得乳房四個(gè)典型象限的完整圖像。在這項(xiàng)工作中，研究人員提出一種適形超聲乳房貼片（cUSBr-Patch），由一維相控陣和受自然啟發(fā)的易于操作的貼片設(shè)計(jì)組成，可提供大面積、深層組織掃描和多角度、可重復(fù)的乳腺組織成像，避免了傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)的缺點(diǎn)。研究人員首先合成了一種Yb/Bi-PIN-PMN-PT單晶，其性能優(yōu)于PZT和PIN-PMN-PT，并且具有合適的相變溫度。

之后制作了一個(gè)由64個(gè)陣元組成的一維相控陣換能器，工作頻率為7.0 MHz。該一維相控陣表現(xiàn)出良好的聲學(xué)性能：（1）最大成像深度為80 mm；（2）對(duì)比靈敏度為3 dB；（3）30 mm深度處的軸向/橫向分辨率為0.25/1.0 mm；（4）在約30 mm或更深處，其視場(chǎng)比商用手持式線性探頭更大，表明其具有檢測(cè)早期乳腺腫瘤的潛在可靠能力。體外研究和試驗(yàn)表明，cUSBr-Patch可以對(duì)不同人體模型提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的成像。所設(shè)計(jì)的掃描軌跡用于為物理引導(dǎo)換能器定位，且每個(gè)位置點(diǎn)都具有360°旋轉(zhuǎn)能力，將其集成在受自然啟發(fā)的蜂窩狀貼片中，使一維相控陣可以完全覆蓋整個(gè)乳房表面，并從不同角度獲得多方位圖像重建，從而克服了當(dāng)前全乳房或大面積超聲篩查技術(shù)面臨的難題，即由于定位不佳或缺乏接觸而產(chǎn)生成像偽影。

Yb/Bi-PIN-PMN-PT單晶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

一維相控陣的壓電和聲學(xué)性能

cUSBr-Patch用于乳腺組織的體內(nèi)研究

這項(xiàng)研究所開(kāi)發(fā)的用于乳腺組織掃描和成像的超聲技術(shù)，為跟蹤軟組織的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化提供了一種新型非侵入性方法。在實(shí)際應(yīng)用中，cUSBr-Patch還具有多個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如可重復(fù)使用、易于操作，以及在病變尺寸小于2 cm的早期階段可在家中實(shí)現(xiàn)對(duì)乳房異常的連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于大面積成像而言，個(gè)人用戶(hù)可以將相控陣沿著蜂窩狀貼片移動(dòng)到不同位置以獲得全方位的成像。在醫(yī)院中，醫(yī)護(hù)人員則可以同時(shí)使用多個(gè)相控陣，通過(guò)多角度圖像重建實(shí)現(xiàn)時(shí)空精準(zhǔn)的成像。

研究人員稱(chēng)，未來(lái)將進(jìn)一步開(kāi)展更多研究，包括從引入可定制尺寸的聚合物襯底貼片，嵌入多個(gè)一維相控陣以避免隨機(jī)手動(dòng)掃描，到在醫(yī)療或藥物治療過(guò)程中進(jìn)行長(zhǎng)期成像的密集臨床試驗(yàn)，再到具有后端功能的便攜式系統(tǒng)，從而使日常自我篩查成為可能。此類(lèi)系統(tǒng)將可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化超聲圖像生成以及大數(shù)據(jù)收集（例如組織圖像和人工智能分析結(jié)果），并將結(jié)果發(fā)送給醫(yī)生，以獲得快速客觀的診斷評(píng)估。此外，還可以研究開(kāi)發(fā)與無(wú)線通信集成的系統(tǒng)，用于對(duì)更廣泛的軟組織狀況進(jìn)行連續(xù)的臨床監(jiān)測(cè)，并根據(jù)cUSBr-Patch成像的變化，幫助醫(yī)生更好地對(duì)患者病情進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷。

審核編輯：劉清