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用于深層組織掃描和成像的適形超聲乳房貼片

MEMS ? 來(lái)源:MEMS ? 2023-08-08 09:31 ? 次閱讀
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近些年,在醫(yī)療監(jiān)測(cè)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(jī)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(bào)道,近日,麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)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(gè)乳房上實(shí)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(guò)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(yàn)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(duì)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?jī)?nèi)的小囊腫(~ 0.3 cm)。這項(xiàng)研究工作開(kāi)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(cè)乳腺組織動(dòng)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。

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適形超聲乳房貼片(cUSBr-Patch)的設(shè)計(jì)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(lái)看,一個(gè)適形的乳房貼片需要具有增強(qiáng)的聲學(xué)特性和可靠的成像能力,并且能夠通過(guò)簡(jiǎn)易的方式獲得乳房四個(gè)典型象限的完整圖像。在這項(xiàng)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(jì)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(diǎn)。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(gè)由64個(gè)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(duì)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(chǎng)比商用手持式線性探頭更大,表明其具有檢測(cè)早期乳腺腫瘤的潛在可靠能力。體外研究和試驗(yàn)表明,cUSBr-Patch可以對(duì)不同人體模型提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的成像。所設(shè)計(jì)的掃描軌跡用于為物理引導(dǎo)換能器定位,且每個(gè)位置點(diǎn)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(gè)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。

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Yb/Bi-PIN-PMN-PT單晶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

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一維相控陣的壓電和聲學(xué)性能

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cUSBr-Patch用于乳腺組織的體內(nèi)研究

這項(xiàng)研究所開(kāi)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化提供了一種新型非侵入性方法。在實(shí)際應(yīng)用中,cUSBr-Patch還具有多個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),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(shí)現(xiàn)對(duì)乳房異常的連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于大面積成像而言,個(gè)人用戶可以將相控陣沿著蜂窩狀貼片移動(dòng)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(shí)使用多個(gè)相控陣,通過(guò)多角度圖像重建實(shí)現(xiàn)時(shí)空精準(zhǔn)的成像。

研究人員稱,未來(lái)將進(jìn)一步開(kāi)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(gè)一維相控陣以避免隨機(jī)手動(dòng)掃描,到在醫(yī)療或藥物治療過(guò)程中進(jìn)行長(zhǎng)期成像的密集臨床試驗(yàn),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(shí)現(xiàn)個(gè)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(píng)估。此外,還可以研究開(kāi)發(fā)與無(wú)線通信集成的系統(tǒng),用于對(duì)更廣泛的軟組織狀況進(jìn)行連續(xù)的臨床監(jiān)測(cè),并根據(jù)cUSBr-Patch成像的變化,幫助醫(yī)生更好地對(duì)患者病情進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:用于深層組織掃描和成像的適形超聲乳房貼片

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