세 가지를 위한 신축성 있는 초음파 어레이

Nature Biomedical Engineering (2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

조직의 생체역학적 특성에 대한 일련의 평가는 병리생리학적 상태의 조기 발견 및 관리를 돕고, 병변의 진행을 추적하고, 재활 과정을 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 현재의 방법은 침습적이어서 단기 측정에만 사용할 수 있거나 침투 깊이나 공간 분해능이 부족합니다. 여기에서는 0.5mm의 공간 해상도에서 피부 아래 최대 4cm 조직의 직렬 비침습적 탄성 측정을 수행하기 위한 신축성 있는 초음파 어레이에 대해 설명합니다. 이 배열은 인간의 피부와 일치하고 음향학적으로 결합되어 정확한 탄성 영상을 제공하며, 이는 자기 공명 탄성 영상을 통해 검증되었습니다. 우리는 이 장치를 사용하여 생체 외 조직 영률의 3차원 분포를 매핑하고, 통증이 시작되기 전에 지원자의 근육에서 미세구조적 손상을 감지하고, 물리치료 중 근육 부상의 동적 회복 과정을 모니터링했습니다. 이 기술은 조직 생체역학에 영향을 미치는 질병의 진단 및 치료를 용이하게 할 수 있습니다.

인간 조직의 기계적 특성은 인간 생리 시스템의 구조와 기능에 필수적입니다1. 다양한 기관의 빈번한 기계적 특성 분석을 통해 조직 성장, 대사 상태, 면역학적 기능 및 호르몬 조절을 적시에 평가할 수 있습니다1,2,3. 가장 중요한 것은 질병에 걸린 조직의 기계적 특성이 종종 병태생리학적 상태를 반영할 수 있다는 것입니다. 이러한 속성을 모니터링하면 질병 진행에 대한 주요 정보를 제공하고 적시에 개입을 안내할 수 있습니다4,5. 예를 들어, 종양의 강성은 건강한 조직의 강성과 다른 것으로 알려져 있습니다6. 또한 일부 종양에서는 특정 발달 단계에서 성장함에 따라 강성의 변화가 발생할 수 있으며7 이러한 변화는 빠르게 발생할 수 있습니다(보조 그림 1a 및 보충 참고 1)5,8,9,10,11,12. 성장 단계 평가 및 치료 지침을 위해서는 이러한 종양의 강성에 대한 빈번한 검사가 필요합니다13. 기계적 특성화는 많은 근골격계 질환 및 부상의 진단 및 재활에도 중요합니다. 근육 계수를 모니터링하면 위험 영역을 보다 적극적으로 검사할 수 있습니다(보충 그림 1b)14,15,16,17,18,19,20,21,22. 조직 계수의 감시는 심혈관 질환의 조기 발견 및 추적에도 도움이 되는 것으로 입증되었습니다23,24. 이상적인 기술은 정확한 위치, 형태 및 기계적 정보를 사용하여 심부 조직의 비침습적 3차원(3D) 매핑을 제공해야 합니다25. 그러나 기존 방법으로는 이러한 중요한 요구 사항을 해결할 수 없습니다(보조 그림 2-5 및 보충 참고 2).

이 기사에서는 이러한 기술적 격차를 메우기 위해 장치 엔지니어링 및 이미징 알고리즘의 발전을 통해 신축성 있는 초음파 어레이를 보고합니다(보충 참고 3). 새로운 미세 가공 프로토콜을 사용하면 우수한 변환기 전기 기계 결합을 달성할 수 있습니다. 일관된 복합 이미징 전략은 정확한 변위 계산을 가능하게 하므로 전체 초음파 창에서 탄성 신호 대 잡음비(SNRe) 및 대비 대 잡음비(CNRe)를 향상시킵니다. 역탄성 문제를 해결함으로써 기존의 준정적 탄성학(보충 참고 4)을 사용하여 얻은 정성적 변형률 분포와 비교하여 도약적인 정량적 모듈러스 분포를 유도할 수 있습니다. 우리는 자기공명 탄성측정법(MRE)에 의한 정량적 검증을 통해 다양한 인공 팬텀 모델과 생체 외 생물학적 표본에 대한 테스트를 통해 이 기술의 신뢰성을 보여줍니다. 지연 발병 근육통에 대한 생체 내 연구에서는 이 기술이 비침습적 연속 방식으로 근육 손상의 회복 진행 과정을 추적하여 치료 지침을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 결과는 조직의 기계적 특성을 모니터링하여 많은 질병과 증상의 진단과 치료를 촉진하는 편리하고 효과적인 접근 방식을 제시합니다.