通讯作者：Sheng Xu
通讯单位：加州大学圣地亚哥分校纳米工程系
大多数慢性疾病直接表现在一个或多个深部组织。因此，对深层组织中的生理信号进行连续和非侵入性监测以询问疾病的发生和进展对于支持诊断和治疗慢性疾病的临床决策至关重要。然而，深部组织的两个主要特征对连续和非侵入性信号采集提出了挑战。首先，它们被埋在强烈衰减的组织层下。其次，物体尺寸范围从分米到微米。因此，为了捕获感兴趣的深层组织中的生物参数，测量策略必须同时具有足够的穿透深度和高空间分辨率。
目前，临床上可以实现两者的成像技术，包括X射线计算机断层扫描、磁共振成像和正电子发射断层扫描。然而，部分由于其占地面积大且成本高。可拉伸的电子设备为连续和无创监测患者状况提供了令人兴奋的途径。然而目前为止，用于无创和连续监测人体深层组织的可拉伸电子设备仍然是一个巨大的挑战。
基于此，加州大学圣地亚哥分校纳米工程系Sheng Xu教授报告了解决这一关键需求的可拉伸超声相控阵。该设备的弹性机械特性允许与人体皮肤进行亲密和自然的结合，以进行连续和长期的监测。无缝集成消除了设备-皮肤界面处的缝隙，从而消除了对通常用于刚性和柔性超声设备的超声凝胶的需求。研究人员将相控阵控制应用于发射和接收波束成形的每个元素。由此产生的聚焦超声波束的强度比未聚焦的单个元件的强度高得多，这大大提高了从分米到微米尺寸的深层组织反射信号的信噪比（SNR）。超声波相对较长的波长极大地提高了波束形成对人体皮肤上设备形状变化引起的相位畸变的耐受性。研究人员进一步展示了在皮肤下约3-14厘米处检测左右人心室多普勒信号。可以操纵超声波束以适当的多普勒角度拦截血流，从而准确记录主要动脉和静脉中的血流频谱。结合血流量和血管尺寸测量，我们能够实时估计脑血流量。相关工作以“Continuous monitoring of deep-tissue haemodynamics with stretchable ultrasonic phased arrays”为题发表在Nature Biomedical Engineering上。
图1. 深层组织监测的挑战与可拉伸超声相控阵机理：（a）人体组织和器官的皮下深度（y轴）和尺寸（x轴）。可拉伸传感器需要具有较长的穿透深度并在多个尺度上解析结构。胃肠道，胃肠道；（b）超声相控阵发射波束形成的工作原理。通过预先设计的脉冲时间分布，相控阵可以将超声波束聚焦和引导到目标区域。光束线1说明了聚焦超声波束的穿透深度（在人体组织中可达14 cm）。光束线2说明了通过调整相控阵的脉冲时间轮廓来聚焦和控制超声波束；（c）12×12可拉伸相控阵的光学图像，扭曲90°，互连弯曲和拉伸。插图：阵列中四个换能器（Tx）元件的放大图像，采用岛桥设计，间距（λ）为0.8 mm—根据惠更斯原理，大约为2 MHz的一个超声波波长。ACF，各向异性导电膜。比例尺，2 mm（主图像）和300 μm（插图）。
图2. 中央血流监测；（a）超声波多普勒传感的工作原理。该设备以约20°的入射角向移动的红细胞发送聚焦光束。插图：超声波脉冲与移动的红细胞之间的相互作用；（b）设备在人脖子上的光学图像。关键部件都贴上了标签；（c）根据设备接收到的反射信号重建的彩色血流图像。光束方向由橙色虚线标记。反射信号强度为灰度级。使用可拉伸相控阵实现的声波面积可与市售设备相媲美。设备正下方的初始共振区（白化区）是由于换能器的振铃效应。彩色血流图像清楚地显示了颈静脉（蓝色）和颈动脉（红色）血流以及深度和方向信息。流速的大小在色标中，红色流向设备，蓝色流向设备；颈动脉（d）和颈静脉（e）的彩色血流图像，（d）和（e）中的多普勒角分别为58°和54°；颈动脉（f）和颈静脉（g）流谱。
参考文献：
Chonghe Wang, Baiyan Qi, Muyang Lin, Zhuorui Zhang, Mitsutoshi Makihata, Boyu Liu, Sai Zhou, Yi-hsi Huang, Hongjie Hu, Yue Gu, Yimu Chen, Yusheng Lei, Taeyoon Lee, Shu Chien, Kyung-In Jang, Erik B. Kistler, Sheng Xu, Continuous monitoring of deep-tissue haemodynamics with stretchable ultrasonic phased arrays, Nat. Biomed. Eng. 2021, https://www.nature.com/articles/s41551-021-00763-4.
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