3 つの伸縮可能な超音波アレイ

Nature Biomedical Engineering (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

組織の生体力学的特性の連続評価は、病態生理学的状態の早期発見と管理を支援し、病変の進行を追跡し、リハビリテーションの進行を評価するために使用できます。 しかし、現在の方法は侵襲的であり、短期間の測定にしか使用できなかったり、浸透深さや空間分解能が不十分であったりします。 ここでは、空間分解能 0.5 mm で皮膚下 4 cm までの組織の連続非侵襲的エラストグラフィー測定を実行するための伸縮可能な超音波アレイについて説明します。 このアレイは人間の皮膚に適合し、音響的に結合するため、正確なエラストグラフィー イメージングが可能になり、磁気共鳴エラストグラフィーによって検証されました。 私たちはこのデバイスを使用して、生体外の組織のヤング率の三次元分布をマッピングし、痛みが始まる前にボランティアの筋肉の微細構造損傷を検出し、理学療法中の筋肉損傷の動的回復プロセスを監視しました。 この技術により、組織の生体力学に影響を及ぼす疾患の診断と治療が容易になる可能性があります。

人間の組織の機械的特性は、人間の生理学的システムの構造と機能にとって不可欠です1。 さまざまな臓器の機械的特性を頻繁に評価することで、組織の成長、代謝状態、免疫機能、ホルモン制御をタイムリーに評価できるようになります1、2、3。 最も重要なことは、罹患組織の機械的特性は、多くの場合、病態生理学的状態を反映する可能性があることです。 このような特性をモニタリングすることで、疾患の進行に関する重要な情報が得られ、タイムリーな介入を導くことができます4,5。 たとえば、腫瘍の硬さは健康な組織の硬さとは異なることが知られています6。 さらに、一部の腫瘍では、特定の発達段階で成長するにつれて硬さの変化が発生する可能性があり 7、これらの変化は急速に起こる可能性があります (補足図 1a および補足注 1)5、8、9、10、11、12。 成長段階の評価と治療指導には、これらの腫瘍の硬さを頻繁に検査する必要があります13。 機械的特性評価は、多くの筋骨格疾患や傷害の診断とリハビリテーションにおいても重要です。 筋係数のモニタリングにより、リスクのある領域のより積極的なスクリーニングが可能になります（補足図1b）14、15、16、17、18、19、20、21、22。 組織弾性率の監視は、心血管疾患の早期発見と追跡に役立つことも実証されています 23,24。 理想的なテクノロジーは、正確な位置、形態、および機械的情報を備えた深部組織の非侵襲的かつ三次元 (3D) マッピングを提供する必要があります25。 ただし、既存の方法では、この重要なニーズに対処することができません (補足図 2 ～ 5 および補足注 2)。

この記事では、この技術的なギャップを埋めるために、デバイスエンジニアリングとイメージングアルゴリズムの進歩を備えた伸縮可能な超音波アレイを報告します（補足注3）。 新しい微細加工プロトコルにより、トランスデューサーの優れた電気機械結合を実現できます。 コヒーレント複合イメージング戦略により、正確な変位計算が可能になるため、超音波検査ウィンドウ全体の弾性検査信号対雑音比 (SNRe) とコントラスト対雑音比 (CNRe) が向上します 26。 逆弾性問題を解くことで、従来の準静的エラストグラフィーで得られる定性的なひずみ分布に比べて飛躍的な定量的な弾性率分布を得ることができます27（補足4）。 私たちは、磁気共鳴エラストグラフィー (MRE) による定量的検証とともに、さまざまな人工ファントム モデルと生体外の生物学的標本でテストすることにより、この技術の信頼性を示します。 遅発性筋肉痛に関する in vivo 研究では、この技術が非侵襲的な連続方法で筋肉損傷の回復の進行を追跡し、治療上の指針を提供できることが示されています。 これらの結果は、組織の機械的特性を監視し、多くの疾患や症状の診断と治療を容易にする便利で効果的なアプローチを示唆しています。