麻省理工学院工程师设计了一种邮票大小的装置，可贴在皮肤上，持续对体内器官进行超声成像，长达48小时。
这项技术可实时生成主要血管和深层器官的高清图像，在临床诊断领域未来潜力巨大。
团队正致力于让这些装置实现无线运行，使其有望成为可穿戴、易获取的成像产品，患者可以从医生诊所带回家，或在药房购买。
超声成像是一种安全、无创的方式，让人们得以窥见身体内部运作情况，并为临床医生提供患者内脏器官的实时图像。为获取这些图像，受过培训的技术人员会操作超声探头，将声波导入人体。声波反射回来后，可生成患者心脏、肺部及其他深层器官的高清图像。
目前，超声成像需要笨重且专业的设备，只有医院和医生诊所才配备。但麻省理工学院工程师的新设计或能让这项技术像在药房购买创可贴一样便于穿戴和获取。
在一篇论文今日发表于《科学》的论文中，工程师展示了一种新型超声贴片的设计——这是一种邮票大小的装置，可贴在皮肤上，持续对体内器官进行超声成像，长达48小时。
研究人员将贴片贴在志愿者身上，结果显示，这些装置能够实时生成主要血管以及心脏、肺部和胃等深层器官的高清图像。志愿者进行坐、站、慢跑和骑车等各种活动时，贴片仍能牢固粘附，并捕捉到下方器官的变化。
目前的设计需要将贴片连接到仪器，由仪器把反射回来的声波转换成图像。研究人员指出，即使以目前的形式，这些贴片也可立即投入应用：例如，可以像心电图监测贴片一样贴在住院患者身上，持续成像观察体内器官，无需技术人员长时间手持探头。
如果能让这些装置实现无线运行——这正是团队目前努力的目标——超声贴片就有望制成可穿戴成像产品，患者可以从医生诊所带回家，甚至在药房购买。
“我们设想将几片贴片贴在身体不同部位，它们可以与手机通信，由人工智能算法按需分析图像，”该研究的资深作者、麻省理工学院机械工程以及土木与环境工程教授赵宣和（Xuanhe Zhao）说。“我们相信，我们开启了可穿戴成像的新时代：只需在身上贴几片贴片，就能看见自己的内脏器官。”
该研究的主要作者还包括王崇和（Chonghe Wang）和陈晓宇（Xiaoyu Chen）；麻省理工学院的王柳（Liu Wang）、Makihata Mitsutoshi和赵涛（Tao Zhao）为共同作者，明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所的刘晓川（Hsiao-Chuan Liu）也参与了研究。
粘附难题
进行超声成像时，技术人员首先会在患者皮肤上涂抹液态凝胶，以便传导超声波。随后，将探头或换能器按在凝胶上，把声波送入人体。声波从体内结构反射后返回探头，回波信号再被转换为可视图像。
对于需要长时间成像的患者，一些医院会使用固定在机械臂上的探头，无需人工持续操作即可将换能器保持在原位；但液态超声凝胶会随着时间流走并变干，导致长期成像中断。
近年来，研究人员一直在探索可拉伸超声探头的设计，以便便携、低调地对体内器官成像。这些设计采用由微型超声换能器构成的柔性阵列，旨在让装置能够拉伸并贴合患者身体。
但这些实验性设计生成的图像分辨率较低，部分原因在于其可拉伸性：装置随身体移动时，换能器之间会发生相对位移，导致图像失真。
“可穿戴超声成像工具在未来临床诊断领域潜力巨大。然而，现有超声贴片的分辨率和成像时长相对有限，而且无法对深层器官成像，”麻省理工学院研究生王崇和说。
透视体内
麻省理工学院团队的新型超声贴片将可拉伸的黏附层与刚性换能器阵列结合起来，从而能在更长时间内生成更高分辨率的图像。王说：“这种组合让装置能够贴合皮肤，同时保持换能器之间的相对位置，从而生成更清晰、更精确的图像。”
该装置的黏附层由两层薄弹性体构成，中间包裹着一层固态水凝胶。这种材料主要由水构成，能够轻松传导声波。与传统超声凝胶不同，麻省理工学院团队的水凝胶具有弹性且可拉伸。
“弹性体可以防止水凝胶脱水，”麻省理工学院博士后陈晓宇说。“只有水凝胶充分水合，声波才能有效穿透，并对体内器官进行高清成像。”
底部弹性体层用于粘附皮肤，顶部则粘附在刚性换能器阵列上；该阵列也由团队设计并制造。整个超声贴片面积约为2平方厘米，厚3毫米——占地面积约相当于一枚邮票。
研究人员让健康志愿者参与一系列超声贴片测试。志愿者将贴片贴在颈部、胸部、腹部和手臂等身体部位。贴片一直牢牢附着在皮肤上，并能持续长达48小时生成清晰的内部结构图像。在此期间，志愿者在实验室进行了各种活动，包括坐、站、慢跑、骑车和举重。
通过贴片生成的图像，团队观察到主要血管的直径在坐姿和站姿时会发生变化。贴片还捕捉到了深层器官的细节，例如心脏在运动时收缩、发力，其形状会如何变化。研究人员还观察到，志愿者喝下果汁后胃部扩张，随后随着果汁排出体外而逐渐收缩。一些志愿者举重时，团队还能检测到下方肌肉中的明亮图案，表明肌肉出现了暂时性微损伤。
“通过成像，我们或许能捕捉到锻炼中因过度使用而受伤之前的时刻，并及时停止，避免肌肉酸痛，”陈说。“我们目前还不知道那个时刻究竟何时出现，但现在我们可以提供图像数据，供专家解读。”
团队正努力让贴片实现无线运行。他们还在开发基于人工智能的软件算法，以便更好地解读贴片生成的图像并作出诊断。赵宣和设想，届时患者和消费者可以购买成套包装的超声贴片，不仅用于监测各种内脏器官，还可观察肿瘤进展以及子宫内胎儿的发育。
“我们设想可以有一盒贴片，每片都针对身体的不同部位进行成像，”赵宣和说。“我们相信，这代表着可穿戴设备和医学成像领域的一项突破。”
这项研究的部分经费来自麻省理工学院、美国国防高级研究计划局、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院，以及通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所提供资助的美国陆军研究办公室。
