无需开颅植入电极 超声波技术实现无创“读脑”

无需开颅植入电极超声波技术实现无创“读脑”解剖记录平面和行为任务。图片来源：物理学家组织网2021年，加州理工学院研究人员开发了一种使用功能性超声读取大脑活动的方法，这是一种侵入性小得多的技术。超声波成像的工作原理是发射高频声音脉冲，然后测量这些声音振动在物质（如人体的各种组织）中的回声。声波在这些组织类型中以不同的速度传播，并在它们之间的边界反射。这项技术通常用于拍摄子宫内胎儿的图像及其他诊断成像。由于头骨不能透过声波，因此使用超声波进行脑部成像需要在头骨上安装一个透明的“窗口”。超声波技术不需要植入大脑本身，这大大降低了感染的机会，并使脑组织及其保护性硬脑膜完好无损。神经元活动的变化会引起它们对氧气等代谢资源的利用发生变化。这些资源通过血液重新补充，这是功能性超声波的关键。在这项研究中，研究人员使用超声波来测量流向特定大脑区域的血流的变化。就像救护车的警报声随距离远近而改变音调一样，红细胞会在反射的超声波接近声源时增高音调，而在远离声源时降低音调。通过测量这种多普勒效应，研究人员可以记录大脑血液流动的微小变化，空间区域只有100微米宽，大约为一根头发那么宽。他们能够同时测量广泛分布在整个大脑中的微小神经细胞群的活动，其中一些小到只有60个神经元。研究人员使用功能性超声来测量非人灵长类动物顶叶后皮质（PPC）的大脑活动，该区域负责规划并帮助执行运动。实验动物被教会了两项任务：移动手来引导屏幕上的光标，移动眼睛看屏幕的特定部分。它们只需要考虑执行任务，而不是实际移动眼睛或手，因为BMI可以读取它们的大脑活动。超声波数据被实时发送到解码器，然后生成控制信号，将光标移动到希望的地方。BMI能够成功地对8个径向目标执行此操作，而平均误差很小。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401725.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401725.htm

麻省理工学院的超声波贴片可迅速揭示膀胱的充盈程度

麻省理工学院的超声波贴片可迅速揭示膀胱的充盈程度在一项新的研究中，研究人员表明，他们的贴片可以准确地对膀胱进行成像，并确定膀胱的充盈程度。研究人员说，这可以帮助膀胱或肾脏疾病患者更轻松地追踪这些器官是否正常运作。通过改变超声阵列的位置和调整信号的频率，这种方法还可用于监测体内的其他器官。这种设备有可能更早地检测到在身体深处形成的癌症，如卵巢癌。"这项技术用途广泛，不仅可用于膀胱，还可用于身体的任何深层组织。"麻省理工学院媒体实验室副教授、该研究的资深作者卡南-达格德维仁（CananDagdeviren）说："这是一个新颖的平台，可以对我们体内携带的许多疾病进行识别和表征。"麻省理工学院研究科学家张林、麻省理工学院电子工程与计算机科学研究生科林-马库斯和西安理工大学教授林大斌是描述这项工作的论文的主要作者，该论文最近发表在《自然-电子学》上。达格德维仁的实验室专门从事柔性可穿戴电子设备的设计，最近开发出一种超声波监测器，可以安装在胸罩中，用于筛查乳腺癌。在新的研究中，研究小组采用类似的方法开发了一种可穿戴的贴片，它可以贴在皮肤上，拍摄体内器官的超声波图像。在首次演示中，研究人员决定把重点放在膀胱上，部分灵感来自达格德维仁的弟弟，他几年前被诊断出患有肾癌。在通过手术切除了一个肾脏后，他的膀胱很难完全排空。Dagdeviren想知道，能显示膀胱充盈程度的超声波监测器是否能帮助类似她弟弟这样的病人，或者其他类型的膀胱或肾脏问题患者。一种可穿戴的超声波监视器可以对膀胱进行成像，并确定膀胱的充盈程度。麻省理工学院开发的这款设备可以帮助膀胱或肾脏疾病患者更轻松地追踪这些器官是否正常运作。图片来源：研究人员提供她说："数百万人正遭受着膀胱功能障碍和相关疾病的折磨，膀胱容量监测是评估肾脏健康状况的一种有效方法，这并不奇怪。"目前，测量膀胱容量的唯一方法是使用传统、笨重的超声波探头，这需要去医疗机构。Dagdeviren和她的同事们希望开发一种可穿戴的替代方法，让患者可以在家里使用。为此，他们制作了一种硅橡胶制成的柔性贴片，内嵌五个超声阵列，这些阵列由研究人员为该设备开发的新型压电材料制成。这些阵列的位置呈十字形，这使得贴片能对整个膀胱进行成像，膀胱充盈时约为12×8厘米。构成贴片的聚合物具有天然粘性，能轻柔地粘附在皮肤上，因此很容易贴上和取下。贴在皮肤上后，内衣或紧身裤可以帮助将其固定到位。研究人员与马萨诸塞州总医院超声研究与转化中心和放射科的合作者共同进行了一项研究，结果表明这种新型贴片可以捕捉到与传统超声探头相当的图像，这些图像可用于跟踪膀胱容量的变化。在这项研究中，研究人员招募了20名不同体重指数的患者。受试者首先在膀胱充盈的情况下进行成像，然后在膀胱部分排空的情况下进行成像，最后在膀胱完全排空的情况下进行成像。新贴片获得的图像质量与传统超声波图像相似，而且超声波阵列对所有受试者都有效，与身体质量指数无关。使用这种贴片不需要超声凝胶，也不需要像使用普通超声探头那样施加压力，因为它的视野足够大，可以覆盖整个膀胱。为了看到图像，研究人员将他们的超声阵列与医疗成像中心使用的同类超声波机连接起来。不过，麻省理工学院团队目前正在研制一种便携式设备，大小与智能手机差不多，可以用来查看图像。"在这项工作中，我们进一步开发出了一条将可适配超声波生物传感器应用于临床的途径，这种传感器能提供有关重要生理参数的宝贵信息。我们小组希望在此基础上开发出一套设备，最终弥补临床医生和患者之间的信息鸿沟，"MGH超声波研究与转化中心主任、MGH放射科影像科学副主任AnthonyE.Samir说，他也是这项研究的作者之一。麻省理工学院团队还希望开发出能用于对体内其他器官（如胰腺、肝脏或卵巢）成像的超声设备。根据每个器官的位置和深度，研究人员需要改变超声波信号的频率，这就需要设计新的压电材料。对于其中一些位于人体深部的器官，该装置可能更适合作为植入物，而不是可穿戴的贴片。达格德维仁说："无论我们需要可视化什么器官，我们都要回到第一步，选择合适的材料，设计出合适的装置，然后制造出相应的一切，然后再测试装置并进行临床试验。"麻省理工学院工程学院院长、电气工程与计算机科学范内瓦尔-布什（VannevarBush）教授兼本文作者阿南塔-钱德拉卡桑（AnanthaChandrakasan）说："这项工作可能会发展成为超声波研究的核心重点领域，为未来的医疗设备设计提供新的思路，并为材料科学家、电气工程师和生物医学研究人员之间开展更多富有成效的合作奠定基础。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404951.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404951.htm

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况麻省理工学院机械工程系教授XuanheZhao说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声波贴纸。"图片来源：研究人员提供在最近发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上的一项开放存取研究中，研究小组报告说，传感器可以将声波穿过皮肤传入人体，声波在人体内部器官上反射后再传回贴纸。反射波的模式可被解读为器官僵硬度的特征，贴纸可对其进行测量和跟踪。器官监测的进展"当一些器官发生疾病时，它们会随着时间的推移而变得僵硬，"论文的资深作者、麻省理工学院机械工程系教授赵宣和说。"有了这种可穿戴贴纸，我们就可以长时间持续监测硬度的变化，这对于早期诊断内脏器官衰竭至关重要。"研究小组证明，这种粘贴传感器可以在48小时内持续监测器官的硬度，并检测出可能预示疾病进展的微妙变化。在初步实验中，研究人员发现这种粘性传感器可以检测到大鼠急性肝功能衰竭的早期迹象。佩戴在皮肤上的小型超声波贴纸可以监测身体深处器官的硬度。麻省理工学院开发的这种传感器可以检测肝脏和肾脏衰竭等疾病的迹象以及实体瘤的进展情况。图片来源：研究人员提供工程师们正在努力将这种设计应用于人体。他们设想，这种贴纸可以用于重症监护室（ICU），在那里，低调的传感器可以持续监测器官移植后正在康复的病人。"我们设想，就在肝脏或肾脏移植手术之后，我们可以把这种贴纸贴在病人身上，观察器官的硬度在几天内的变化情况，"领衔作者刘孝全说。"如果有任何急性肝衰竭的早期诊断，医生就可以立即采取行动，而不是等到病情变得严重时才采取行动。"研究进行时，刘晓川是麻省理工学院的访问科学家，目前是南加州大学的助理教授。该研究的麻省理工学院合著者包括陈晓宇（XiaoyuChen）和王崇和（ChongheWang），以及USC南加州大学的合作者。超声弹性成像及其局限性就像我们的肌肉一样，随着年龄的增长，体内的组织和器官也会变得僵硬。在某些疾病的影响下，器官僵化会变得更加明显，预示着健康状况可能会急剧下降。目前，临床医生有办法利用超声弹性成像技术来测量肾脏和肝脏等器官的僵硬程度，这种技术类似于超声波成像，技术人员在皮肤上操作一个手持探头或探棒。探头通过身体发出声波，导致内部器官轻微振动并发出声波。探头会感应到器官感应到的振动，而振动的模式可以转化为器官的晃动或僵硬程度。超声弹性成像技术通常用于重症监护病房，以监测近期接受器官移植的病人。技术人员会在手术后不久定期检查病人，快速探查新器官，寻找僵化迹象和潜在的急性衰竭或排斥反应。图片来源：研究人员提供另一位资深作者、南加州大学教授周其发（QifaZhou）说："器官移植后，重症监护室的前72小时最为关键。传统的超声波检查需要将探头对准身体。但你无法长期持续这样做。医生可能会错过关键时刻，意识到器官衰竭时为时已晚。"研究小组意识到，他们或许能提供一种更连续、可穿戴的替代方案。他们的解决方案扩展了他们之前开发的超声波贴纸，用于对深层组织和器官进行成像。赵解释说："我们的成像贴只能捕捉纵波，而这次我们想捕捉剪切波，它能告诉你器官的刚性。"现有的超声弹性成像探头可测量剪切波或器官对声波脉冲的振动。剪切波在器官中传播的速度越快，说明器官越坚硬。(想想水球和足球的反弹力）。超声波技术的创新研究小组希望将超声弹性成像技术微型化，使其适合贴在邮票大小的贴纸上。他们还希望保持与商用手持探头相同的灵敏度，手持探头通常包含约128个压电换能器，每个换能器都能将传入的电场转化为传出的声波。周说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声贴纸。"研究人员精确地制造了128个微型传感器，并将其集成到一个25毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部衬上了一种由水凝胶制成的粘合剂--一种由水和聚合物混合而成的具有粘性和伸缩性的材料，它能让声波几乎无损耗地进出设备。在初步实验中，研究小组在老鼠身上测试了硬度感应贴纸。他们发现，贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集到的数据中，研究人员观察到了急性肝衰竭的明显早期迹象，随后他们通过组织样本证实了这一点。一旦肝脏衰竭，器官的硬度将增加数倍。赵补充说："健康的肝脏就像煮熟的鸡蛋一样摇摇晃晃，而患病的肝脏则更像煮熟的鸡蛋。而这种贴纸可以捕捉到身体深处的这些差异，并在器官衰竭发生时发出警报。"研究小组正与临床医生合作，将这种贴纸应用于重症监护室的器官移植康复病人。在这种情况下，他们预计贴纸目前的设计不会有太大变化，因为它可以贴在病人的皮肤上，它发出和接收的任何声波都可以由连接到贴纸上的电子设备传递和收集，类似于医生办公室里的电极和心电图机。未来的应用和影响哈佛大学医学院医学副教授、布里格姆妇女医院副生物工程师ShrikeZhang说："这个系统的真正魅力在于，由于它现在是可穿戴的，因此可以实现低重量、可适配和长时间的持续监测，这不仅可以让病人在实现对疾病进展的长期、几乎实时监测的同时减少痛苦，还可以让训练有素的医院人员腾出时间来从事其他重要工作"。他没有参与这项研究。研究人员还希望将这种贴纸改装成更便携的自封式版本，将其所有配套电子设备和处理过程小型化，装入一个稍大的贴片中。然后，他们设想病人可以在家中佩戴这种贴纸，对病情进行较长时间的连续监测，如实体瘤的进展情况，众所周知，实体瘤会随着病情的严重而变硬。"我们相信这是一个拯救生命的技术平台，"赵说。"我们认为，未来人们只需在身上贴几张贴纸，就能测量许多生命信号，并对体内主要器官的健康状况进行成像和追踪。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421059.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421059.htm

SOMA系统将通过超声波而非电极控制假肢

SOMA系统将通过超声波而非电极控制假肢当前原型中使用的超声波传感器阵列手环弗劳恩霍夫IBMT当前版本系统的核心是一个佩戴在前臂上的手环。它没有采用电极，而是利用一个超声波传感器阵列，每秒向下层肌肉组织发送数十个超声波脉冲。通过分析这些脉冲反射回原始换能器所需的时间，就可以确定单个肌肉股的厚度。如果其中任何一条肌肉链正在收缩，它们就会比放松时更粗。通过这种方式，可以确定佩戴者在任何时刻有意识地收缩了哪些肌肉。目前，这些读数会被转发到电脑上，由基于人工智能的软件进行实时分析，然后将相应的运动指令转发给假手。项目合作伙伴之一、德国弗劳恩霍夫生物医学工程研究所的MarcFournelle博士说："与电极相比，基于超声波的控制具有更高的灵敏度和准确性。传感器能够检测不同的自由度，如弯曲、伸展或旋转。"根据计划，手环最终将被内置在假肢袖口中的微型传感器阵列所取代。同样，读数可以通过蓝牙传输到用户智能手机上的应用程序，再由应用程序无线传输指令到假手。更重要的是，假手的手指有朝一日可能会集成压力传感器，将触感传回用户残臂上的神经。这些信号将通过电极传递，电极将刺激神经，使大脑产生触觉。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388253.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388253.htm

新型超声波技术可用于在体内3D打印植入物

新型超声波技术可用于在体内3D打印植入物打印在心脏模型内的固化声墨结构（红色）亚历克斯-桑切斯，杜克大学；姚俊杰，杜克大学；Y.ShrikeZhang，哈佛大学医学院只要树脂暴露在光线下，它就会聚合（凝固），而容器中的其他树脂则保持凝胶状态。通过移动光源，使其照射到树脂的不同部位，就可以逐渐制作出非常精细的三维物体。体积打印的限制因素之一是，要使光源到达目标，容器和树脂必须是透明的。由于人体皮肤和生物组织几乎是不透明的，光线只能透过它们到达几毫米的范围。这就意味着，目前这种技术还不能用于在体内制造植入物。考虑到这一限制，杜克大学和哈佛大学医学院的科学家们发明了一种基于声音的新技术，称为深穿透声学体积打印（DVAP）。这种技术不使用光敏树脂，而是使用一种生物相容性超声"墨水"--称为超声墨水--这种墨水在吸收超声脉冲时会升温，然后凝固。可以想象，将这种粘稠的墨水注入人体需要植入的部位，然后暴露在由外部探头战略性聚焦发出的深层超声波中。一旦植入物本身聚合成所需的形状，任何残留的墨水都可以用注射器从体内取出。根据预期的应用，声波墨水可以配制成长效或可生物降解的形式，也可以模仿不同类型的生物组织，如骨骼。在这个例子中，DAVP被用来关闭山羊心脏的左心房附壁，从而降低了在心脏内部形成血栓的风险杜克大学的姚俊杰；哈佛大学医学院的张世玉在迄今为止进行的实验室测试中，科学家们已经利用DVAP技术封闭了山羊心脏的一部分（治疗非瓣膜性心房颤动时需要），修复了鸡腿上的骨骼缺损，并在肝脏组织内打印出了化疗药物分配水凝胶。杜克大学副教授姚俊杰说："由于我们可以通过组织进行打印，这使得传统上涉及侵入性和破坏性方法的外科手术和治疗有了很多潜在的应用。这项工作为3D打印领域开辟了一条令人兴奋的新途径，我们很高兴能共同探索这一工具的潜力。"有关这项研究的论文最近发表在《科学》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403075.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403075.htm