Nature子刊：徐升团队开发可拉伸超声设备，实现对深层组织的三维监测

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撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

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。对身体各器官的力学特征的描述能够及时评估组织生长、代谢状态、免疫功能和激素调节。更重要的是，病变组织的力学特性往往可以反映病理生理状况，监测这些特性可以提供疾病进展的关键信息，并及时指导干预。例如，肿瘤的硬度与健康组织不同。此外，在某些肿瘤中，随着它们在特定发育阶段的生长，硬度也会发生变化，而且这些变化发生得很快。

经常检查这些肿瘤的硬度是评估和治疗指导所必需的，力学表征在许多肌肉骨骼疾病和损伤的诊断和康复中也至关重要。对肌肉模量的监测可以更主动地筛查有风险的部位，组织模量的监测也被证明有助于心血管疾病的早期发现和跟踪。一种理想的技术应该提供非侵入性的三维深部组织的精确定位、形态和力学信息，然而，现有的方法还无法满足这一关键需求。

2023年5月1日，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）徐升团队在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表了题为：Stretchable ultrasonic arrays for the three-dimensional mapping of the modulus of deep tissue 的研究论文。

该研究开发了一种可拉伸超声阵列，用于在0.5毫米的空间分辨率下对皮肤以下4厘米的组织进行一系列非侵入性弹性测量。该阵列符合人体皮肤并在声学上与之耦合，从而实现精确的弹性成像，并通过磁共振弹性成像验证了这一点。

研究团队使用该设备绘制离体组织杨氏模量的三维分布，检测志愿者肌肉在疼痛发作前的微结构损伤，并监测物理治疗期间肌肉损伤的动态恢复过程。该技术可促进影响组织生物力学的疾病的诊断和治疗。

徐升

徐升，2006年本科毕业于北京大学化学学院，2011年在佐治亚理工学院获得材料科学与工程专业博士学位，此后在伊利诺伊大学香槟分校从事博士后研究工作，2015年，徐升加入加州大学圣地亚哥分校（UCSD），现为加州大学圣地亚哥分校纳米工程副教授。徐升实验室涉及多个研究方向，包括可穿戴电子设备、细胞接口和功能性材料，总的来说，就是通过制造新材料和制造技术来开发用于解决生物医学问题的柔性电子设备。

连续评估组织的生物力学特性有助于早期发现和处理病理生理状况，跟踪病变的演变并评估康复进展。但目前可用的方法是侵入性的，只能用于短期测量，或者穿透深度或空间分辨率不足。

在这项最新研究中，为了填补目前的技术空白，徐升团队开发了一种具有器件工程和成像算法进展的可拉伸超声阵列。该设备采用新的微加工工艺，可以实现优异的换能器机电耦合。相干复合成像策略可以实现精确的位移计算，从而提高整个超声窗口内的弹性成像信号噪声比（SNRe）和弹性成像对比度噪声比（CNRe）。

可拉伸超声阵列的工作原理、设计与制造

通过解决逆弹性问题，可以推导出定量的模量分布，这与传统的准静态弹性学得到的定性应变分布相比是一个飞跃。研究团队通过对各种方针躯干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，证明了该技术的可靠性。

研究团队对迟发性肌肉酸痛的体内研究表明，该技术可以无创连续跟踪肌肉损伤的恢复进程，为治疗提供指导。

人类迟发性肌肉酸痛的多位点定位和连续监测

这些结果提示了一种方便有效的方法来监测组织力学特性，有助于许多疾病和症状的诊断和治疗。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-023-01038-w

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