近些年，在醫(yī)療監(jiān)測和生物醫(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)麥姆斯咨詢報道，近日，麻省理工學(xué)院媒體實驗室（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），可以在整個乳房上實現(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，可以觀察到乳房內(nèi)的小囊腫（~ 0.3 cm）。這項研究工作開創(chuàng)了用于乳腺組織成像和篩查的體表超聲技術(shù)，為監(jiān)測乳腺組織動態(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）的角度來看，一個適形的乳房貼片需要具有增強的聲學(xué)特性和可靠的成像能力，并且能夠通過簡易的方式獲得乳房四個典型象限的完整圖像。在這項工作中，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。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。

之后制作了一個由64個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，其視場比商用手持式線性探頭更大，表明其具有檢測早期乳腺腫瘤的潛在可靠能力。體外研究和試驗表明，cUSBr-Patch可以對不同人體模型提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的成像。所設(shè)計的掃描軌跡用于為物理引導(dǎo)換能器定位，且每個位置點都具有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

這項研究所開發(fā)的用于乳腺組織掃描和成像的超聲技術(shù)，為跟蹤軟組織的實時動態(tài)變化提供了一種新型非侵入性方法。在實際應(yīng)用中，cUSBr-Patch還具有多個關(guān)鍵優(yōu)勢，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現(xiàn)對乳房異常的連續(xù)監(jiān)測。對于大面積成像而言，個人用戶可以將相控陣沿著蜂窩狀貼片移動到不同位置以獲得全方位的成像。在醫(yī)院中，醫(yī)護(hù)人員則可以同時使用多個相控陣，通過多角度圖像重建實現(xiàn)時空精準(zhǔn)的成像。

研究人員稱，未來將進(jìn)一步開展更多研究，包括從引入可定制尺寸的聚合物襯底貼片，嵌入多個一維相控陣以避免隨機手動掃描，到在醫(yī)療或藥物治療過程中進(jìn)行長期成像的密集臨床試驗，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。此類系統(tǒng)將可以實現(xiàn)個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估。此外，還可以研究開發(fā)與無線通信集成的系統(tǒng)，用于對更廣泛的軟組織狀況進(jìn)行連續(xù)的臨床監(jiān)測，并根據(jù)cUSBr-Patch成像的變化，幫助醫(yī)生更好地對患者病情進(jìn)行預(yù)測和診斷。

審核編輯：劉清