这个贴纸看起来像身体内部

超声波扫描仪可以成像人体内部，是救命的医疗工具。现在研究人员将这种手持超声波探头——通常需要技术娴熟的专业人员在其皮肤上操作——缩小到一片邮票大小的平面芯片，并通过一种特殊的生物粘合剂附着在皮肤上。这个新设备可连续记录两天的高清视频，捕捉到测试对象在运动时血管和心脏的工作状态，以及他们在饮用果汁并消化时胃部的扩张与收缩。“这种装置的美妙之处在于，你突然就可以将这个超声波探头，这个超声波薄片扬声器，贴在身体上达48小时之久。”麻省理工学院的机械工程师赵宣和说道，他是描述这种新设备的研究论文的合著者，该论文周四发表在《科学》杂志上。通过在此期间记录内部器官的静态画面和视频，这种可穿戴的成像装置可用于诊断心脏病发作和恶性肿瘤、检测药物的效果，以及评估整体的心脏、肺部或肌肉健康状况。“这种装置有潜力通过实现长期连续成像而改变医学成像的范式，”赵宣和补充道，“它甚至可以改变可穿戴设备领域的范式。”传统超声波扫描仪在不损伤身体的情况下可以深入观察皮肤之下，但这种扫描的可及性非常有限。“传统的手持式超声波扫描仪需要经过良好训练的技术人员将探头正确放置在皮肤上，并在探头和皮肤之间涂抹一些液体凝胶，”德克萨斯大学奥斯汀分校的机械工程师陆南舒说道，她并未参与这项新研究，但与他人共同撰写了《科学》杂志上的分析文章。“你可以想象，这种操作非常繁琐，而且时间短暂，非常受限。”陆南舒解释说，因为这些扫描需要有经验的操作者，所以成本昂贵，而且不能用于受试者在运动或在高温或极端环境中承受身体压力的测试。“传统超声波扫描仪有很多限制，”她说，“如果我们能让超声波传感器变得可穿戴、可移动且易于获得，就会开启很多新的可能性。”由于其潜在的多功能性，其他研究人员也尝试开发可粘贴的超声波贴片。然而，为了附着在柔软、有弹性的皮肤上，早期设备设计成具有伸缩性。这种形状削弱了图像质量，因为它无法容纳足够的换能器——在本例中，这些换能器将电能转化为人耳无法听见的高频声波。超声波探头将这些声波通过一层粘稠凝胶发送进入人体，声波在器官和其它内部结构上反射后返回换能器阵列，再将其转化为电信号并发送至计算机生成图像。换能器越多，图像质量越好。“这非常类似于相机，”陆南舒实验室的电气工程师和研究生谭菲尔普说道，他也未参与这项新研究，但与他人共同撰写了该分析文章。可伸缩的贴片式超声波探头，每次皮肤移动都必须弯曲，因此无法在阵列中放入那么多换能器——当佩戴者移动时，换能器的排列会发生变化，使得稳定图像的捕捉变得困难。赵宣和的团队没有让装置本身具备伸缩性，而是将一个只有三毫米厚的刚性探头附着在一个柔软的粘合层上。这种粘合剂替代了传统超声波探头和皮肤之间使用的粘稠液体，它是一种由含水量高且富含水的聚合物（称为水凝胶）和类似橡胶的材料（称为弹性体）组合而成的混合物。“这是一种固体水凝胶，含水量超过90%，但它像果冻一样是固体的，”赵宣和说。“我们在果冻表面覆盖了一层非常薄的弹性膜，以防止果冻中的水分蒸发。”这种生物粘合剂不仅在48小时内将探头牢固地附着在皮肤上，还提供了一层缓冲，保护刚性的电子设备免受皮肤和肌肉的拉伸。为了成像不同的身体系统，赵宣和的团队测试了能够产生不同频率波的探头版本，从而穿透身体至不同的深度。例如，10兆赫的高频波可能仅能穿透到皮肤下几厘米处。研究人员用这种频率捕捉了测试对象从坐着到站立或剧烈运动时血管和肌肉的活动。3兆赫的低频波则可以深入大约6厘米，捕捉到内部器官。使用这种频率，研究人员成像了受试者心脏的四个腔室，并记录了另一个人在消化两杯果汁时胃部排空的过程。研究人员还比较了他们使用刚性超声波探头获得的图像与可伸缩超声波设备获得的图像，赵宣和说道。“你可以看到，我们的分辨率几乎是可伸缩超声波的十倍高，”他补充道。一种能够持续监控身体特定部位的成像装置可以用于监测和诊断各种疾病。医生可以持续关注肿瘤随时间的增长情况。高血压高风险人群可以佩戴超声波贴片测量血压，在血压飙升时及时提醒，或追踪药物是否有效。新冠患者可以在家中安心，知道若病情导致严重的肺部感染，需要住院治疗时，成像装置会及时提醒。也许最重要的应用是在心脏病发作的检测和诊断上。“心血管疾病是……全球和美国的主要死亡原因，”赵宣和说。其他可穿戴设备开发者也关注心脏健康。例如，苹果手表等智能手表可以通过所谓的心电图（ECG或EKG）跟踪显示心脏活动的电信号，这可以用于诊断心脏病发作——至少在某些情况下。“已经有研究表明，心电图只能诊断大约20%的心脏病发作。实际上，大多数心脏病发作需要成像方法，如超声波成像，才能进行诊断，”赵宣和说。对患者心脏进行连续成像可以捕捉到症状并提供早期诊断。“这种新设备最大的卖点在于，它可以开启无法在静态环境中完成的新类型医学诊断，”谭菲尔普说。例如，评估心脏健康时，在运动中测量器官的活动情况是有帮助的——但要在一个满是凝胶的人跑步时手持超声波探头是很难的。“有了可穿戴超声波贴片，不再需要手持换能器，他们实际上能够展示即使在运动过程中，也能够获得高质量的心脏图像，”谭菲尔普补充道。然而，这种生物粘合装置尚未准备好投入使用。一方面，它仍需连接到一台能收集和分析探头所产生数据的计算机。“我们通过一根电线将这个探头连接到数据采集系统，”赵宣和说。“但我所在的研究组正努力将所有东西小型化并集成到我们的无线设备中。”他最终计划升级贴片，增加一个微型电源和无线数据传输系统。陆南舒和谭菲尔普同意，这是一个可行的目标，得益于电子元件的小型化和制造方法的进步，这些功能可以集成到一种“芯片上的超声波”装置中。陆南舒表示，如果该领域能够吸引联邦和私人投资，这种设备可能在五年内变得可行，尽管它仍需获得联邦监管机构的批准。最终，超声波贴片可能加入监测人体健康的可穿戴设备行列，包括现有设备提供的信息如心率、睡眠质量，甚至压力等。“我们人体正在不断释放着关于我们健康、情绪、注意力和准备状态等高度个人化、持续、分布和多模态的数据。因此，我们充满了各种数据，”陆南舒说。“问题是如何可靠而持续地获取这些数据。”