Растягивающиеся ультразвуковые решетки на троих

Природная биомедицинская инженерия (2023 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

211 Альтметрика

Подробности о метриках

Серийная оценка биомеханических свойств тканей может использоваться для раннего выявления и лечения патофизиологических состояний, для отслеживания развития поражений и оценки хода реабилитации. Однако современные методы инвазивны, могут использоваться только для краткосрочных измерений или имеют недостаточную глубину проникновения или пространственное разрешение. Здесь мы описываем растягиваемую ультразвуковую решетку для выполнения серийных неинвазивных эластографических измерений тканей на глубине до 4 см под кожей с пространственным разрешением 0,5 мм. Массив соответствует коже человека и акустически соединяется с ней, обеспечивая точную эластографическую визуализацию, что мы подтвердили с помощью магнитно-резонансной эластографии. Мы использовали устройство для картирования трехмерного распределения модуля Юнга тканей ex vivo, для выявления микроструктурных повреждений в мышцах добровольцев до появления болезненности и для мониторинга динамического процесса восстановления мышечных повреждений во время физиотерапии. Технология может облегчить диагностику и лечение заболеваний, влияющих на биомеханику тканей.

Механические свойства тканей человека жизненно важны для структуры и функционирования физиологических систем человека1. Частые механические характеристики различных органов позволяют своевременно оценить рост тканей, метаболическое состояние, иммунологические функции и гормональную регуляцию1,2,3. Самое главное, что механические свойства больных тканей часто могут отражать патофизиологические состояния. Мониторинг таких свойств может предоставить ключевую информацию о прогрессировании заболевания и своевременно принять меры4,5. Например, известно, что жесткость опухолей отличается от жесткости здоровых тканей6. Кроме того, в некоторых опухолях изменения жесткости могут возникать по мере их роста на определенных стадиях развития7, и эти изменения могут происходить быстро (дополнительный рисунок 1a и дополнительное примечание 1)5,8,9,10,11,12. Частые проверки жесткости этих опухолей необходимы для оценки стадии роста и назначения терапии13. Механическая характеристика также имеет решающее значение в диагностике и реабилитации многих заболеваний и травм опорно-двигательного аппарата. Мониторинг мышечных модулей позволяет более активно проверять зону риска (дополнительный рисунок 1b)14,15,16,17,18,19,20,21,22. Также было продемонстрировано, что наблюдение за модулями тканей помогает в раннем выявлении и отслеживании сердечно-сосудистых заболеваний23,24. Идеальная технология должна обеспечивать неинвазивное и трехмерное (3D) картирование глубоких тканей с точным расположением, морфологией и механической информацией25. Однако существующие методы не могут удовлетворить эту острую потребность (дополнительные рисунки 2–5 и дополнительное примечание 2).

В этой статье, чтобы заполнить этот технологический пробел, мы сообщаем о растягиваемой ультразвуковой решетке с достижениями в области разработки устройств и алгоритмов визуализации (дополнительное примечание 3). Благодаря новым протоколам микрообработки мы можем добиться превосходной электромеханической связи преобразователей. Стратегия когерентной компаундной визуализации обеспечивает точные расчеты смещения и, следовательно, улучшает эластографическое соотношение сигнал-шум (SNRe) и соотношение контраст-шум (CNRe) во всем сонографическом окне26. Решая обратную задачу упругости, мы можем получить количественное распределение модуля, что является шагом вперед по сравнению с качественным распределением деформации, полученным с помощью традиционной квазистатической эластографии27 (дополнительное примечание 4). Мы показываем надежность этой технологии путем тестирования на различных искусственных моделях фантомов и биологических образцах ex vivo с количественной проверкой с помощью магнитно-резонансной эластографии (MRE). Исследования in vivo боли в мышцах с отсроченным началом показывают, что эта технология может отслеживать ход восстановления мышечных повреждений неинвазивным серийным способом, обеспечивая терапевтические рекомендации. Эти результаты предполагают удобный и эффективный подход к мониторингу механических свойств тканей, облегчающий диагностику и лечение многих заболеваний и симптомов.