超声波扫描仪可以对人体内部进行成像，是一种拯救生命的医疗工具。现在，研究人员已经将手持式超声波探头缩小成一个扁平芯片，其尺寸如邮票大小，并通过特殊的生物粘合剂粘贴在皮肤上。传统的手持式超声波探头通常需要训练有素的技术人员在皮肤上移动。这种新设备可以连续两天记录高分辨率视频，捕捉运动时心脏和血管的活动，或者受试者大口喝果汁然后消化时胃部的扩张和收缩。
“这种设备的美妙之处在于，突然之间，你可以将这种超声波探头，这种薄薄的超声波扬声器，在48小时内贴在身体上，”麻省理工学院机械工程师、描述这种新设备的论文的合著者赵选贺（Xuanhe Zhao）说。该论文于周四发表在《科学》杂志上。通过在此期间记录内部器官的静态图片和视频，可穿戴成像设备可用于诊断心脏病发作和恶性肿瘤，测试药物的有效性，以及评估一般的心脏、肺部或肌肉健康。“这有可能通过赋能长期连续成像来改变医学成像的范式，”赵补充说，“并且它可以改变可穿戴设备领域的范式。”
传统的超声波非常擅长在不损伤身体的情况下穿透皮肤深处，但获得此类扫描的机会有限。“传统的手持式超声波需要训练有素的技术人员将探头正确放置在皮肤上，并在探头和皮肤之间涂抹一些液体凝胶，”德克萨斯大学奥斯汀分校的机械工程师陆南姝（Nanshu Lu）说，她没有参与这项新研究，但与他人合写了一篇在《科学》杂志上发表的配套分析。“你可以想象，这非常繁琐，而且非常短期，非常受限。”陆解释说，由于它们需要有经验的操作员，因此这些扫描很昂贵，并且不能用于受试者正在运动或身体承受来自高温或极端环境的压力的测试中。“传统的超声波有很多局限性，”她说。“如果我们能使超声波传感器可穿戴、可移动且易于获取，那将开启许多新的可能性。”
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由于其潜在的通用性，其他研究人员也曾尝试制造粘贴式超声波贴片。但是，为了粘附在柔软、有弹性的皮肤上，早期的设备被设计成可拉伸的。这种外形尺寸削弱了图像质量，因为它无法容纳尽可能多的换能器——在本文中，换能器是将电力转换为频率过高以至于人耳无法检测到的声波的单元。超声波探头将这些波穿过一层黏糊糊的凝胶发送到人体内，在那里它们从器官和其他内部结构上反弹，然后返回到换能器阵列。这会将机械波转换回电信号，并将其发送到计算机以转换为图像。
换能器越多，图像质量越好。“这非常类似于相机，”德克萨斯大学奥斯汀分校陆实验室的电气工程师和研究生菲利普·谭（Philip Tan）解释说，他也没有参与这项新研究，而是与他人合写了分析文章。可拉伸的粘贴式超声波探头必须能够在皮肤每次移动时弯曲，因此无法在阵列中封装尽可能多的换能器——并且当佩戴者移动时，换能器的配置会发生变化，从而难以捕捉稳定的图像。
赵和他的团队没有使设备本身具有可拉伸性，而是将一个厚度仅为三毫米的刚性探头连接到一个柔性粘合层上。这种粘合剂取代了传统超声波探头和皮肤之间放置的黏糊糊的液体，它是由富含水的聚合物（称为水凝胶）和橡胶状材料（称为弹性体）的混合物制成的。“它是一块含有超过 90% 水分的固体水凝胶，但它处于像果冻一样的固态，”赵说。“我们在这种果冻的表面覆盖了一层非常薄的弹性体薄膜，这样果冻内部的水就不会蒸发出来。”这种生物粘合剂不仅可以将探头牢固地粘附在皮肤上 48 小时，而且还提供了一个缓冲层，可以保护刚性电子元件免受皮肤和肌肉的弯曲。
为了对不同的身体系统进行成像，赵的团队测试了产生不同频率波的版本探头，从而穿透身体的不同深度。例如，像 10 兆赫兹这样的高频率可能会到达皮肤下几厘米的深度。研究人员使用这种频率来捕捉受试者从坐姿到站姿或剧烈运动时血管和肌肉的活动。较低的频率（3 兆赫兹）会更深入，更像六厘米，以捕捉内部器官。使用这种频率，研究人员对受试者的心脏四个腔室进行了成像，并记录了另一个受试者的胃在消化几杯果汁时排空的过程。赵说，研究人员还将使用他们的刚性超声波探头收集的图像与可拉伸超声波设备捕捉的图像进行了比较。“你可以看到，我们的分辨率比可拉伸超声波高出一个数量级[10 倍]，”他补充道。
可以持续监测身体特定部位的成像设备可用于监测和诊断各种疾病。医生可以密切关注肿瘤随时间的生长情况。有高血压高风险的人可能会佩戴超声波贴片来测量他们的血压，在血压飙升时发出警报，或跟踪药物是否有效。新冠肺炎患者可以待在家里，因为他们知道，如果他们的疾病引起严重到需要住院治疗的肺部感染，成像设备会发出警报。也许最重要的应用可能是心脏病发作的检测和诊断。“心血管疾病是……全世界乃至美国的主要死因，”赵说。心脏健康是其他可穿戴设备开发商关注的焦点。例如，Apple Watch 等智能手表能够通过所谓的心电图（ECG 或 EKG）跟踪指示心脏活动的电信号。这可以用于诊断心脏病发作——至少在某些情况下。“已经有研究表明，心电图只能诊断出大约 20% 的心脏病发作。事实上，大多数心脏病发作都需要成像方式，例如超声波成像来诊断，”赵说。对患者心脏进行连续成像可以捕捉他们的症状并提供早期诊断。
“这种新设备的最大卖点是它开辟了新的医疗诊断类型，这些诊断在静态环境中是无法完成的，”谭说。例如，为了评估心脏健康，测量器官在运动时的活动很有帮助——但很难将超声波探头按在正在跑步的受试者涂满凝胶的胸部。“有了可穿戴超声波贴片，你就不必将换能器按在人身上，他们实际上能够证明，即使在运动过程中，你也能够获得非常高质量的心脏图像，”谭补充道。
然而，这种生物粘合设备尚未准备好投入使用。一方面，它仍然必须物理连接到可以收集和分析探头产生的数据的计算机。“我们通过电线将这个探头连接到数据采集系统，”赵说。“但我的团队正在努力将所有东西小型化并集成到我们的无线设备中。”他最终计划用微型电源和无线数据传输系统升级该贴片。陆和谭都认为，这目标是可行的，这要归功于不断缩小的电子元件和制造方法，这些方法可以将这些功能组合到“芯片上的超声波”中。陆建议，如果该领域能够吸引联邦和私人投资，那么这种设备在五年内可能可行，尽管它仍必须获得联邦监管机构的批准。
最终，超声波贴纸可能会加入监测人类健康的可穿戴设备行列，包括现有的收集有关心率、睡眠质量甚至压力的信息的设备。“我们的人体正在辐射大量高度个性化、高度连续、分布式和多模式的数据，这些数据关于我们的健康、我们的情绪、我们的注意力、我们的准备状态等等。所以我们充满了数据，”陆说。“问题是如何可靠且连续地获取它们。”