近些年，在医疗监测和生物医学应用等领域，压电可调谐电子技术得到了广泛研究，涵盖从人体生命体征解码到机械能收集。为了深入了解和解码深层组织，基于压电的超声换能器技术引起人们的关注。超声技术可广泛用于组织成像，例如乳腺癌诊断，然而，在大面积曲线器官的深层组织成像方面，目前仍存在挑战，这限制了超声技术与可穿戴技术的集成。
据麦姆斯咨询报道，近日，麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）的研究人员提出一种可穿戴、适形超声乳房贴片（cUSBr-Patch），可以在整个乳房上实现标准化和可重复的图像采集。其采用受自然启发的蜂窝状贴片与基于压电晶体（Yb/Bi-PIN-PMN-PT）的相控阵相结合，通过易于操作的跟踪器引导定位，能够提供大面积、深层扫描和多角度乳腺成像能力。体外研究和临床试验表明，基于压电晶体的相控阵能够在30 mm深度表现出高对比度分辨率（~ 3 dB）和0.25/1.0 mm的轴向/横向分辨率，可以观察到乳房内的小囊肿（~ 0.3 cm）。这项研究工作开创了用于乳腺组织成像和筛查的体表超声技术，为监测乳腺组织动态变化提供了一种新的非侵入方法。相关研究成果已发表于Science Advances期刊。
适形超声乳房贴片（cUSBr-Patch）的设计概述
从超声换能器性能（即优异的材料特性）和乳腺成像能力（即相控阵位置的可重复性、不施加压缩等）的角度来看，一个适形的乳房贴片需要具有增强的声学特性和可靠的成像能力，并且能够通过简易的方式获得乳房四个典型象限的完整图像。在这项工作中，研究人员提出一种适形超声乳房贴片（cUSBr-Patch），由一维相控阵和受自然启发的易于操作的贴片设计组成，可提供大面积、深层组织扫描和多角度、可重复的乳腺组织成像，避免了传统超声成像技术的缺点。研究人员首先合成了一种Yb/Bi-PIN-PMN-PT单晶，其性能优于PZT和PIN-PMN-PT，并且具有合适的相变温度。
之后制作了一个由64个阵元组成的一维相控阵换能器，工作频率为7.0 MHz。该一维相控阵表现出良好的声学性能：（1）最大成像深度为80 mm；（2）对比灵敏度为3 dB；（3）30 mm深度处的轴向/横向分辨率为0.25/1.0 mm；（4）在约30 mm或更深处，其视场比商用手持式线性探头更大，表明其具有检测早期乳腺肿瘤的潜在可靠能力。体外研究和试验表明，cUSBr-Patch可以对不同人体模型提供准确和可重复的成像。所设计的扫描轨迹用于为物理引导换能器定位，且每个位置点都具有360°旋转能力，将其集成在受自然启发的蜂窝状贴片中，使一维相控阵可以完全覆盖整个乳房表面，并从不同角度获得多方位图像重建，从而克服了当前全乳房或大面积超声筛查技术面临的难题，即由于定位不佳或缺乏接触而产生成像伪影。
Yb/Bi-PIN-PMN-PT单晶的结构和性质
一维相控阵的压电和声学性能
cUSBr-Patch用于乳腺组织的体内研究
这项研究所开发的用于乳腺组织扫描和成像的超声技术，为跟踪软组织的实时动态变化提供了一种新型非侵入性方法。在实际应用中，cUSBr-Patch还具有多个关键优势，例如可重复使用、易于操作，以及在病变尺寸小于2 cm的早期阶段可在家中实现对乳房异常的连续监测。对于大面积成像而言，个人用户可以将相控阵沿着蜂窝状贴片移动到不同位置以获得全方位的成像。在医院中，医护人员则可以同时使用多个相控阵，通过多角度图像重建实现时空精准的成像。
研究人员称，未来将进一步开展更多研究，包括从引入可定制尺寸的聚合物衬底贴片，嵌入多个一维相控阵以避免随机手动扫描，到在医疗或药物治疗过程中进行长期成像的密集临床试验，再到具有后端功能的便携式系统，从而使日常自我筛查成为可能。此类系统将可以实现个性化超声图像生成以及大数据收集（例如组织图像和人工智能分析结果），并将结果发送给医生，以获得快速客观的诊断评估。此外，还可以研究开发与无线通信集成的系统，用于对更广泛的软组织状况进行连续的临床监测，并根据cUSBr-Patch成像的变化，帮助医生更好地对患者病情进行预测和诊断。
论文信息：
DOI: 10.1126/sciadv.adh5325
