超声成像是一个安全、无创的身体工作窗口，为临床医生提供患者内部器官的实时图像。为了捕捉这些图像，训练有素的技术人员操作超声波棒和探头，将声波引导到体内。这些波反射回来，生成患者心脏、肺部和其他深层器官的高分辨率图像。

目前，超声成像只需要医院和医生办公室提供的大型专用设备。但是，麻省理工学院工程师的一项新设计可能会使这项技术像在药店购买创可贴一样易于穿戴和使用。

在今天发表在《科学》上的一篇论文中，工程师们介绍了一种新型超声波贴纸的设计鈥攁 邮票大小的设备，粘附在皮肤上，可以提供连续48小时的内部器官超声成像。

研究人员将这些贴纸贴在志愿者身上，展示了这些设备产生的主要血管和心脏、肺和胃等深层器官的实时高分辨率图像。当志愿者进行各种活动，包括坐、站、慢跑和骑自行车时，贴纸保持了很强的粘附力，并捕捉到了潜在器官的变化。

目前的设计要求将贴纸连接到将反射声波转换为图像的仪器上。研究人员指出，即使在目前的形式下，这些贴纸也可以立即应用：例如，这些设备可以应用于医院的患者，类似于心脏监护心电图贴纸，并且可以连续成像内部器官，而无需技术人员长时间将探头固定到位。

如果设备可以无线操作鈥攁 团队目前正在努力实现的目标鈥攖超声波贴纸可以制成可穿戴的成像产品，患者可以从医生办公室带回家，甚至可以在药店购买。

该研究的资深作者、麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵宣和（Xuanhe Zhao）表示：“我们设想一些贴片粘附在身体的不同位置，贴片会与你的手机通信，人工智能算法会根据需要分析图像。”。“我们相信，我们已经开启了可穿戴成像的新时代：只要在身体上贴上几块补丁，你就可以看到你的内脏。”

这项研究还包括主要作者王崇和和陈晓宇，以及麻省理工学院的刘王、Makihata Mitsutoshi和赵涛，以及明尼苏达州罗切斯特梅奥诊所的刘小川。

棘手的问题

为了用超声波成像，技术人员首先在患者皮肤上涂抹一种液体凝胶，该凝胶起到发射超声波的作用。然后将探头或换能器压在凝胶上，将声波发送到体内，使其与内部结构发生回声，并返回到探头，在那里回声信号被转换为视觉图像。

对于需要长时间成像的患者，一些医院提供固定在机械臂上的探头，可以将换能器固定到位而不会疲劳，但随着时间的推移，液体超声凝胶会流出并干燥，从而中断长期成像。

近年来，研究人员探索了可拉伸超声探头的设计，该探头将提供便携式、低轮廓的内部器官成像。这些设计提供了一个灵活的微型超声换能器阵列，其想法是这样一个设备可以拉伸并符合患者的身体。

但这些实验设计产生了低分辨率的图像，部分原因是由于它们的拉伸：在与身体一起移动时，传感器相互移动位置，使生成的图像失真。

麻省理工学院研究生王说：“可穿戴超声成像工具在未来的临床诊断中具有巨大潜力。然而，现有超声贴片的分辨率和成像持续时间相对较低，无法成像深层器官。”。

内部外观

麻省理工学院团队的新超声波贴纸通过将弹性粘合层与刚性传感器阵列配对，在更长的时间内产生更高分辨率的图像。王说：“这种组合使设备能够与皮肤保持一致，同时保持传感器的相对位置，以生成更清晰、更精确的图像。”。

该设备的粘合层由两层薄薄的弹性体制成，弹性体包裹着中间一层固体水凝胶，水凝胶主要是水基材料，很容易传播声波。与传统的超声波凝胶不同，麻省理工学院团队的水凝胶具有弹性和弹性。

“弹性体可以防止水凝胶脱水，”麻省理工学院博士后陈说。“只有当水凝胶高度水合时，声波才能有效穿透并提供内部器官的高分辨率成像。”

底部的弹性体层被设计成粘附在皮肤上，而顶层则粘附在团队设计和制造的刚性传感器阵列上。整个超声波贴纸的尺寸约为2平方厘米宽，3毫米厚鈥攁关于邮票的面积。

研究人员对健康志愿者进行了一系列测试，他们在身体的各个部位，包括颈部、胸部、腹部和手臂上佩戴了超声波贴纸。这些贴纸贴在他们的皮肤上，并在长达48小时的时间内产生底层结构的清晰图像。在此期间，志愿者在实验室进行了各种活动，从坐着和站着，到慢跑、骑自行车和举重。

从贴纸上的图像中，研究小组能够观察到坐着与站着时主要血管直径的变化。这些贴纸还捕捉到了深层器官的细节，例如心脏在运动过程中如何改变形状。研究人员还能够观察到胃膨胀，然后在志愿者喝水时收缩，然后将果汁排出他们的系统。当一些志愿者举重时，研究小组可以检测到下面肌肉的明亮图案，发出暂时性微损伤的信号。

陈说：“通过成像，我们可以在过度使用之前捕捉锻炼的瞬间，并在肌肉酸痛之前停止。”。“我们还不知道那一刻可能是什么时候，但现在我们可以提供专家可以解释的成像数据。”

该团队正在努力使贴纸能够无线工作。他们还开发了基于人工智能的软件算法，可以更好地解释和诊断贴纸的图像。然后，赵设想，患者和消费者可以包装和购买超声波贴纸，不仅可以用来监测各种内部器官，还可以监测肿瘤的进展，以及胎儿在子宫内的发育。

赵说：“我们想象我们可以有一盒贴纸，每个贴纸的设计都是为了描绘身体的不同位置。”。“我们认为，这代表着可穿戴设备和医疗成像领域的突破。”