Du W, Zhang L, Suh E, Lin D, Marcus C, Ozkan L, Ahuja A, Fernandez S, Shuvo II, Sadat D, Liu W, Li F, Chandrakasan AP, Ozmen T, Dagdeviren C. Conformable ultrasound breast patch for deep tissue scanning and imaging. Sci Adv. 2023 Jul 28;9(30):eadh5325. doi: 10.1126/sciadv.adh5325. Epub 2023 Jul 28. PMID: 37506210; PMCID: PMC10382022.

超聲廣泛用于組織成像，如乳腺癌診斷;然而，根本挑戰(zhàn)限制了其與可穿戴技術(shù)的集成，即大面積曲線器官的成像。我們推出了一種可穿戴、順應(yīng)的超聲乳房貼片（cUSBr-Patch），它可以在整個乳房上進行標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)的圖像采集，而對操作員培訓(xùn)和應(yīng)用換能器壓縮的依賴更少。自然靈感的蜂窩狀貼片與相控陣相結(jié)合，由易于操作的追蹤儀引導(dǎo)，可提供大面積、深度掃描和多角度乳腺成像功能。體外研究和臨床試驗表明，該陣列采用壓電晶體[Yb/Bi-Pb（In1/2鈮1/2）O3-鉛（鎂）1/3鈮2/3）O3-鉛鈦3]（Yb/Bi-PIN-PMN-PT）在3毫米深度表現(xiàn)出足夠的對比度分辨率（~0 dB）和25.1/0.30毫米的軸向/橫向分辨率，可以觀察到乳房中的小囊腫（~0.3厘米）。這項研究開發(fā)了一種首創(chuàng)的用于乳腺組織掃描和成像的超聲技術(shù)，為跟蹤軟組織的實時動態(tài)變化提供了一種無創(chuàng)方法。

介紹

基于壓電的順形電子學(xué)專注于醫(yī)療保健監(jiān)測和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，已經(jīng)得到了深入研究，從體內(nèi)生命體征解碼到機械能收集 （1-6）。為了深入了解和解碼深層組織，基于壓電的超聲換能器技術(shù)因其優(yōu)于計算機斷層掃描（一種使用電離輻射和磁共振成像的更昂貴且更難獲得的方法）的優(yōu)勢而引起了廣泛關(guān)注（7，8）。盡管超聲波繞過了輻射問題，但該技術(shù)面臨根本挑戰(zhàn)，限制了其與可穿戴技術(shù)（的普遍集成9，10）。特別是，目前的超聲換能器不宜符合彎曲的體表面（11）。在過去的5年中，基于壓電的適形超聲電子設(shè)備已被深入研究用于心臟功能監(jiān)測（12），血流動力學(xué)成像（13，14），血流監(jiān)測（15），膀胱容量觀察（16），肌肉激活監(jiān)測（17），透皮給藥（18），以及許多其他內(nèi)臟器官的成像（19，20）。為了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，研究人員尋求在機械變形，電極拉伸性，生物相容性粘附，成像質(zhì)量和性能穩(wěn)定性（之間取得平衡12，19）。盡管近年來提出了這些可穿戴和柔性壓電超聲設(shè)備，但在可穿戴超聲領(lǐng)域仍有一些研究追求尚未開發(fā)，例如（i）將最先進的壓電材料與超聲技術(shù)相結(jié)合，以及（ii）在不施加換能器壓縮的情況下實現(xiàn)對大面積曲線軟組織的標(biāo)準(zhǔn)化，可重復(fù)掃描，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的圖像重建。

壓電材料在超聲換能器的性能中起著至關(guān)重要的作用。在以前的研究中，大多數(shù)順形超聲換能器仍然使用商業(yè)鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷（12-19）。為了追求增強的材料性能，具有形態(tài)相邊界（MPB）組成的單晶，即Pb（Mg1/3鈮2/3）O3-鉛鈦3（PMN-PT），由于其高機電耦合因子（k33> 85%）和壓電系數(shù)（d33= 1200 至 2500 pC/N） （21）。這些值遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)壓電陶瓷，如PZT（d33< 600 pC/N， k33<75%），使這些材料有希望用于超聲波換能器，執(zhí)行器和能量收集設(shè)備（22，23）。在具有單晶或相控陣的笨重探頭中已經(jīng)證明，與基于PZT的探頭相比，基于PMN-PT單晶的探頭表現(xiàn)出更高的聲學(xué)性能，包括更大的帶寬、更短的脈沖長度以及更高的軸向和橫向分辨率（23-25）。然而，居里溫度Tc（～150°C）和菱形至四方相變溫度TR-T（70°至90°C）對于PMN-PT固體溶液相當(dāng)?shù)停@限制了其溫度使用范圍（21，26）。因此，尋找具有（i）高T的替代松弛器-PT系統(tǒng)c和 TR-T，以及 （ii） 高 D33是強烈需要的。近年來，研究人員開始將注意力轉(zhuǎn)移到摻雜稀土元素的晶體上，以對抗這種權(quán)衡并實現(xiàn)高T。R-T/Tc和 d33 (27-29）。例如，Sm。3+-摻雜PMN-PT晶體表現(xiàn)出超高d33（4100 pC/N） 和介電常數(shù) （?r= 12，000） （27） 和 Nd3+-摻雜鉛（在1/2鈮1/2）O3（PIN）–PMN-PT 也顯示出出色的 D33（3240 pC/N） 和 ?r（9246）（29）.然而，他們都有較低的 TR-T（~91°C）。因此，必須進行調(diào)查以評估新三元系統(tǒng)與其他摻雜元件的壓電特性，以平衡這兩個標(biāo)準(zhǔn)。

雖然利用新材料追求更有效的超聲技術(shù)至關(guān)重要，但對生物區(qū)域進行成像帶來了一些機械挑戰(zhàn)。在大面積的深層組織成像方面，人類乳房提出了一個特殊的挑戰(zhàn)，因為它的幾何形狀和變形能力不僅在受試者之間而且在給定受試者內(nèi)的不同時間和年齡都有很大差異（見注S1）。因此，超聲在乳腺癌的診斷和治療中起著非常重要的作用，因為它可用于從不同的乳腺組織表現(xiàn)（中提取有意義的圖像30，31）。在目前的超聲乳腺成像技術(shù)中，盡管手持超聲檢查（HHUS）和自動乳腺超聲（ABUS）是首選方法（表S1），但要使超聲成為乳腺篩查的可靠選擇，仍存在技術(shù)差距，例如：（i）HHUS嚴(yán)重依賴技術(shù)人員的專業(yè)知識和培訓(xùn)，通過施加強力壓縮來手動掃描整個乳房， （ii）ABUS可以一次掃描整個乳房，但由于在醫(yī)院環(huán)境中在組織和固定的笨重機器之間使用液體介質(zhì)，皮膚接觸仍然很差。克服這些差距不僅可以幫助醫(yī)生可靠地評估乳腺成像，還可以為早期評估乳腺異常提供一種經(jīng)濟高效、可訪問且用戶友好的方法。

總之，從換能器性能（即優(yōu)越的材料特性）和乳腺成像（即陣列位置的可重復(fù)性、無施加壓縮等）的角度來看，非常希望順應(yīng)貼片具有增強的聲學(xué)特性和可靠的成像能力，并通過易于操作獲得乳房典型四個象限的完整圖像（見注釋S1）。在這項工作中，我們提出了一種順應(yīng)超聲乳房貼片（cUSBr-Patch），由一維（1D）相控陣和易于操作的自然啟發(fā)貼片設(shè)計（圖 1， A 到 C），可提供大面積、深層組織掃描和多角度、可重復(fù)的乳腺成像，同時避免了傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)的缺點。研究流程（圖S1）旨在展示這項工作的新穎性和結(jié)構(gòu)。我們合成了一種具有優(yōu)異性能（d33= 2800 pC/N， ?r= 7000， k33= 0.93），具有合適的相轉(zhuǎn)變溫度（TR-T> 105°C），與 PZT 和 PIN-PMN-PT 相比。然后，我們制造了一個由1個晶片組成的一維相控陣探頭，工作頻率為64.7 MHz。一維陣列表現(xiàn)出有希望的聲學(xué)性能，（i）最大成像深度為0毫米，（ii）對比度靈敏度為1分貝，（iii）在80毫米深度的軸向/橫向分辨率為3.0/25.1毫米，以及（iv）在大約0毫米或更深的深度比商用手持式線性探頭具有更大的視野，表明具有檢測早期乳腺腫瘤的潛在可靠能力（見注S30）。除此之外，全面的體外實驗研究表明，cUSBr貼片可以在不同的模型上提供準(zhǔn)確且可重復(fù)的成像。通過掃描跡線（圖 1、D 和 E），以物理方式引導(dǎo)傳感器定位以及每個位置的 360° 旋轉(zhuǎn)功能（圖 1， F 到 I）集成到自然啟發(fā)的蜂窩貼片中，一維陣列可以完全覆蓋整個乳房表面，并從不同視圖獲得多角度圖像重建（電影S1），從而克服了目前用于全乳或大面積篩查的超聲技術(shù)的基本問題，即由于定位不良或缺乏接觸而導(dǎo)致的成像偽影。這項工作開創(chuàng)了用于乳腺組織成像和篩查的首創(chuàng)身體超聲技術(shù)，并作為一種新型的非侵入性方法來監(jiān)測乳腺組織的動態(tài)變化。

圖 1.cUSBr-Patch的設(shè)計概述。

(A） 身體上的 cUSBr 貼片示意圖。（B）cUSBr-Patch的分解圖，以說明其四個主要組成部分：柔軟的織物胸罩作為熟悉的中間層，蜂窩貼片作為外層，提供一維陣列的結(jié)構(gòu)和指導(dǎo)，跟蹤器保持和旋轉(zhuǎn)一維陣列，以及基于單晶的一維相控陣。（C）乳房象限示意圖以及與胸罩上的貼片開口和圓孔對齊的圓形區(qū)域的位置。（D）具有六個主要開口（藍(lán)色區(qū)域）的蜂窩斑塊示意圖。紅色虛線表示一維陣列掃描的特定跡線。淺綠色區(qū)域表示額外的九個六邊形部分用于成像。（E） 帶有陣列和跟蹤器的蜂窩補丁的照片。（F） 跟蹤器的照片。（G和I）跟蹤器從1°到1°順時針旋轉(zhuǎn)的照片，展示了其1°旋轉(zhuǎn)的能力。（J） 健康人體上帶有圓孔的織物胸罩的照片。圓孔專門設(shè)計為陣列的開口，與皮膚緊密結(jié)合并與貼片開口對齊。（K） 貼在胸罩上且無機械分層的照片。（L） 易于操作的掃描照片。比例尺，1厘米（E）至（I）和0厘米（J）至（L）。

結(jié)果

順應(yīng)超聲乳房貼片設(shè)計

設(shè)計目標(biāo)是在一維陣列和乳房組織之間開發(fā)一個可穿戴接口，允許陣列在乳房切片中保持一致的位置和方向（圖 1A).受自然啟發(fā)的蜂窩貼片設(shè)計主要由三個部分組成（圖 1B）：（i）柔軟的織物胸罩作為熟悉的中間層，（ii）蜂窩貼片作為外層，為1D陣列提供結(jié)構(gòu)和指導(dǎo)，以及（iii）連接到超聲陣列的跟蹤器，用于在給定位置處理和旋轉(zhuǎn)陣列。矩形磁鐵（LOVIMAG）和圓形磁鐵（Linlinzz）分別用于將貼片粘附在胸罩上，并將跟蹤器固定在貼片開口上（有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱材料和方法）。

織物文胸（NEIWAI的Barely Zero）是無縫的，可以完全覆蓋各種乳房尺寸（A到DD）。矩形磁鐵 （圖 1B）被巧妙地放置并固定在最佳位置，以便外部貼片可以以正確的方向牢固地連接到胸罩上。這也允許一維陣列的電纜在磁鐵之間滑動時具有全范圍的運動。我們在胸罩中切割與貼片開口對齊的圓孔，以便陣列可以直接與皮膚接觸（圖 1J).由于貼片的對稱設(shè)計，胸罩可以翻轉(zhuǎn)過來，以便將超聲波程序應(yīng)用于另一個乳房。受自然啟發(fā)的貼片由蜂窩狀圖案組成，帶有開放空間，供跟蹤器在穿越指定路徑時移動（圖 1D） 以允許最大視野。該貼片的設(shè)計考慮了四個主要標(biāo)準(zhǔn)：（i）易用性，（ii）運動范圍（在給定位置進行360°旋轉(zhuǎn)，具有可重復(fù)的陣列定位），（iii）可持續(xù)制造，以及（iv）用戶舒適度。目前的超聲設(shè)備缺乏任何人的可訪問性和操作便利性（見注S1），而蜂窩貼片提供了一個貼心的界面，以補充超聲陣列的可靠性能。自然風(fēng)格的蜂窩設(shè)計是在Autodesk Fusion 360中創(chuàng)建的。蜂窩結(jié)構(gòu)一直是醫(yī)療設(shè)備中的首選，因為它們最大限度地減少了制造中使用的材料量，最大限度地提高了靈活性，易于覆蓋皮膚的大面積，并提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，允許貼片的一致性和陣列掃描的定制（32，33).2毫米厚的貼片由白色熱塑性聚氨酯（TPU）層和灰色聚乳酸（PLA）層分層，實現(xiàn)了貼合身體的貼合性和貼片結(jié)構(gòu)剛性強（圖 1E).貼片中有六個開口，跟蹤器可以旋轉(zhuǎn)360°（圖 1， G 到 I).此外，跟蹤器能夠穿越多達(dá) 15 個六邊形部分的路徑（圖 1D），這使得掃描可以直接定位超出典型四象限指定（圖 1， C 到 E和電影S1）。每個開口的組合視野足以覆蓋乳房的相關(guān)區(qū)域，從而允許一組全面的重疊超聲圖像。

跟蹤器連接到一維陣列，以便于插入預(yù)定的成像位置，并能夠在貼片周圍自由移動（圖 1， D 和 F和電影S1;詳見材料和方法）。圓形磁鐵在放入每個圓形壓配凹口（圖 1E).由于嵌入在貼片中的圓形磁鐵的位置，跟蹤器有六個主要位置，每個位置相距 60°（圖 1， G 到 I).貼片中的開口圍繞文胸中相應(yīng)的圓形孔進行圖案化，以便將圓形磁鐵切入。三個等距插腳從跟蹤器中心伸出，每個插腳都擠壓出圓形口袋，以安裝圓形磁鐵。陣列和跟蹤器的組合允許跟蹤器連續(xù)夾在皮膚和貼片之間（圖 1K).跟蹤器頂部的手柄允許用戶抓取和操作它（圖 1L).

Yb/雙引腳-PMN-PT晶體的壓電性能

在這項工作中，我們專注于實現(xiàn)高相變溫度（Tc和 TR-T） 和增強型 D33.對于多分量鐵電系統(tǒng)，線性組合規(guī)則用于預(yù)測三元系統(tǒng)中的MPB（34）。此規(guī)則檢查三元系統(tǒng)的 MPB 是否位于二進制系統(tǒng)的 MPB 之間的線性區(qū)域中（參見注釋 S2）。PIN-PMN-PT 的研究組成基于位于預(yù)測的 MPB 區(qū)域附近的多晶區(qū)域的實驗數(shù)據(jù)，如圖 2A（用紅點標(biāo)記）。繪制了共摻雜的 PIN-PMN-PT 系統(tǒng)的相圖，與 PMN-PT 和 PIN-PMN-PT 系統(tǒng)進行了對比，如圖 S2 所示。由于PIN（0.964）端件的公差因數(shù)小于PMN（0.989），因此很明顯，PIN-PMN-PT系統(tǒng)有望具有較寬的溫度利用范圍和先進的壓電性能。結(jié)果，Tc和 TR-T的 PIN-PMN-PT 晶體分別為 160° 至 180°C 和 90° 至 110°C，均高于 Tc（130° 至 150°C） 和 TR-T（70°至90°C）的PMN-PT晶體。此外，據(jù)報道，隨著樣品厚度的減?。üぷ黝l率增加），PMN-PT單晶的性能明顯下降（35）。具有更細(xì)域的晶體在脈沖場的高頻范圍內(nèi)表現(xiàn)出改進的壓電和介電性能（36）。PIN-PMN-PT 晶體的域尺寸比 PMN-PT 晶體小，因此更適合高頻 （>10 MHz） 超聲換能器。此外，元素?fù)诫s的目的是同時具有良好的熱穩(wěn)定性和高壓電性能。選擇Yb作為摻雜元素的動機是（i）Yb的離子半徑3+（0.87 ?） 非常接近 Sm 的離子半徑3+（0.96 ?） 因為 Sm3+-摻雜晶體顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的高壓電性能（27）和（ii）尚未報道用于PIN-PMN-PT壓電晶體的Yb摻雜的定量分析（37，38）。選擇Bi作為共摻雜元件的動機是Bi可以防止T的減少c (39）. Yb/Bi共摻雜的PIN-PMN-PT晶體的生長晶塊和拋光截面如圖所示圖 2B.如標(biāo)簽所示，從棒的不同位置切出五個樣品進行常規(guī)結(jié)構(gòu)表征，以方便后續(xù)的性能測試。所有樣品的X射線衍射（XRD）圖譜圖 2C表明良好的結(jié)構(gòu)一致性和純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。擴大區(qū)域45°左右的對稱峰意味著所有樣品都具有菱形相。能量色散X射線光譜元件映射（圖S3）也表明了均勻的樣品微觀結(jié)構(gòu)。圖 2D顯示了晶體的極化-電場滯后回路。殘余極化Pr發(fā)現(xiàn)從樣品I到樣品V增加，因為隨著成分接近MPB區(qū)域，可能的極性方向數(shù)量增加。與此同時，Ec發(fā)現(xiàn)從樣品I到樣品V單調(diào)增加，表明由于四邊形增加，域切換變得更加困難。因此，成功量化了共摻雜壓電單晶Yb/Bi-PIN-PMN-PT（圖2），這在文獻(xiàn)中沒有報道。

圖 2.Yb/Bi-PIN-PMN-PT 單晶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

(A）引腳-PMN-PT單晶的相圖。（B） 生長的Yb/Bi-PIN-PMN-PT單晶晶晶塊和拋光橫截面的照片。從棒的不同位置切塊五個樣品I至V，以進行常規(guī)表征。（C） 樣品 I 至 V 的 XRD 圖譜插圖：2θ = 45° 左右的放大區(qū)域。a.u.，任意單位。（D）所有樣品的滯后回路。（E） 所有樣品試樣的溫度相關(guān)介電常數(shù)。插圖：0°至100°C左右的擴大區(qū)域。 （F）樣品III在選定溫度下的電場誘導(dǎo)應(yīng)變行為：0°，20°，40°，60°，80°和100°C。 （G） 壓電系數(shù)d33和介電常數(shù)?33/?0樣品 I 至 V 和 PMN-PT 和 PIN-PMN-PT 晶體的性質(zhì)。（H） 將Yb/Bi-PIN-PMN-PT（樣品III）的整體性能與PMN-29PT單晶的已發(fā)表結(jié)果進行比較的雷達(dá)圖。（一） d33與 TR-TYb/Bi-PIN-PMN-PT 晶體，并與其他報道的稀土摻雜 PMN-PT 和 PIN-PMN-PT 晶體進行比較。與報告的文獻(xiàn)和參考文獻(xiàn)的詳細(xì)比較列于表S4。

在壓電換能器應(yīng)用中，更高的Ec將允許傳感器在更高的電場和更高的溫度下驅(qū)動R-T用于更廣泛的溫度使用范圍 （40）。當(dāng)工作溫度或電場超過T時R-T或 Ec，換能器變?yōu)槿O化。因此，壓電性能應(yīng)在很寬的溫度和電場范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，以便能夠創(chuàng)建和操作壓電器件。圖 2E和圖。S4顯示五個樣品介電特性的溫度依賴性。介電常數(shù)在T之前逐漸增加R-T和 TR-T所有樣品的值均高于95°C，與其他報告的晶體相比，介電溫度穩(wěn)定性有所提高。另外圖 2F顯示了溫度相關(guān)的單極應(yīng)變曲線（S-E），其中斜率隨著溫度從0°C增加到80°C的增加而增加，并且在100°C時觀察到相變。 d 的位置依賴性33和 ?r對于Yb/Bi-PIN-PMN-PT三元系統(tǒng)，在圖 2G.對于樣本 III，d33和 ?33/?0發(fā)現(xiàn)值分別為～2100 pC/N和～6500，高于PMN-PT和未摻雜的PIN-PMN-PT晶體。此外，圖III樣品的XRD圖譜。S5表示從0°到100°C的一致結(jié)構(gòu)形式。 還添加了PMN-32PT和PMN-38PT單晶的標(biāo)準(zhǔn)顏料分散因子卡，分別顯示菱形相和四方相。擴大區(qū)域45°左右的對稱峰表明菱形相位低于T。R-T溫度。其他參數(shù)同樣支持圖S6中樣品III的可行性。

因此，選擇了樣本III進行進一步調(diào)查。來自樣品III的五個具有不同切割方向的樣品的測量結(jié)果如表S2和圖所示。S7（見注S3），該晶體的完整基體機電性能列于表S3中。圖2H通過雷達(dá)圖繪制了Yb/Bi-PIN-PMN-PT與商用PMN-29PT單晶之間六種關(guān)鍵鐵電性能的比較。該圖非常明顯地表明，Yb/Bi-PIN-PMN-PT 單晶比 PMN-29PT 具有顯著優(yōu)勢，并解決了以犧牲相變溫度為代價提高壓電性能的權(quán)衡。此外，表S4列出了各種單晶的一般特征，包括用于比較的稀土摻雜單晶，以及圖 2H說明 D33與 TR-T與最近報告的晶體（27-29，41-44）相比的值。Yb/Bi-PIN-PMN-PT 單晶顯示出有前途的壓電性，更大的 Ec和更高的 TR-T.綜上所述，晶體合成遵循我們的設(shè)計和期望，即添加摻雜劑元素可以增加壓電性，而引入PIN組成可以提高矯頑場和相變溫度。有前途的壓電和介電性能，高T值R-T和大 Ec使Yb/Bi-PIN-PMN-PT單晶適用于高壓和高頻聲學(xué)應(yīng)用，如高性能醫(yī)療換能器陣列。在接下來的工作中，使用Yb/Bi-PIN-PMN-PT單晶樣品III切塊的樣品進行超聲換能器的制造。

一維超聲陣列的性能

一維相控陣設(shè)計在標(biāo)準(zhǔn)探頭三端口網(wǎng)絡(luò)（1）上，該網(wǎng)絡(luò)包括有源壓電元件、背襯層和兩個匹配層，描繪了一維相控陣及其主要組件的幾何形狀（圖S23）。根據(jù)文獻(xiàn)，用于乳腺腫瘤成像的推薦換能器頻率范圍為1-8MHz（表 S5）。出于乳房掃描和成像目的，選擇了具有12片晶片、工作頻率為1.1 MHz、波長（λ）為64 μm的一維相控陣，以在深度和空間分辨率需求之間取得平衡。7 μm （0.220λ） 的間距值略高于相控陣 125.0λ 的要求，以實現(xiàn)廣角成像并減少光柵瓣 （56–0）。元件寬度為5μm，切口為45μm，由切割刀片的厚度和振動決定（日本DISCO公司）。晶片長度選擇為 47 mm（間距的 95 倍），以便在預(yù)期的成像深度內(nèi)實現(xiàn)最小分散的聲束。橫截面圖顯示，環(huán)氧樹脂溶液在高溫壓力下牢固地粘合了所有組件，使它們具有一致的厚度（圖S30B;有關(guān)詳細(xì)信息，請參見材料和方法）。與匹配層、背襯層和各向異性導(dǎo)電膜 （ACF） 電纜（圖 S8）粘合后，整個器件的厚度仍小于 64 mm。電阻抗的頻率依賴性和單元素的相位如圖 3A.諧振和反諧振頻率分別為5.9和8.1 MHz，有效機電耦合系數(shù)大（k伊芙= 0.68）。該陣列還顯示?6 dB帶寬為70%，中心頻率約為7.1 MHz（圖3B），由于制造加工、柔性電纜或不匹配的電路，略小于 Krimholtz-Leedom-Mattaei 模型的仿真結(jié)果 （79%）（見注釋 S4 和圖 S8F）。此外，還測量了陣列的電阻抗和聲學(xué)性能，以研究陣列元件的均勻性。數(shù)組所有元素的性能顯示在圖 3C.

圖 3.一維相控陣的壓電和聲學(xué)性能。

(A） 相控陣單個元件的電阻抗譜。（B）相控陣單個晶片的實測波形和頻譜。（C）相控陣64片的共振頻率、反共振頻率和機電耦合系數(shù)。（D）垂直距離目標(biāo)（紅色虛線區(qū)域）和水平距離目標(biāo)（藍(lán)色虛線區(qū)域）的超聲圖像。（E） 一維陣列在不同深度的橫向和軸向分辨率。（F） 一維陣列的橫向和軸向分辨率，與中心軸的橫向距離不同。（G） 1 mm處的軸向/橫向分辨率目標(biāo)的超聲圖像。（G）中的放大視圖綠色虛線區(qū)域和軸向/橫向分辨率目標(biāo)的示意圖表示目標(biāo)之間的分離。（H）灰度組在1厘米深度的超聲圖像，具有高回聲目標(biāo)（+30，+3和+3 dB）和低回聲目標(biāo)（-6，-15和-3 dB）。比例尺，6 厘米（D）和（G）和9毫米（（G）和（H）中的綠色虛線區(qū)域）。

為了實現(xiàn)實時成像，數(shù)據(jù)采集接口將陣列連接到Vantage 256系統(tǒng)（Verasonics Inc.）。（圖 S10;詳見材料和方法）。在進行人體臨床試驗之前，該陣列在兩個不同的模型上進行了測試，以量化其聲學(xué)性能和成像能力（有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱材料和方法）。首先，使用帶有電線和圓柱目標(biāo)的平面超聲模型（型號040GSE，計算機成像參考系統(tǒng)公司）來演示視野和分辨率（圖S11和視頻S2）。垂直和水平距離目標(biāo)（圖 3D）、軸向和橫向分辨率目標(biāo) （圖 3G）和高回聲/低回聲目標(biāo)（圖 3H）獲得。結(jié)果表明，相控陣的最大視場寬度可達(dá)100 mm，成像深度約為80 mm（圖S11C）。對于30 mm深度的分辨率目標(biāo)，陣列分離出軸向間隙小至0.25 mm和橫向間隙小至1.0 mm的目標(biāo)，表明在30 mm（圖 3， E 和 F).此外，高回聲/低回聲目標(biāo)可用于確定陣列的最小對比度靈敏度。從+15到-9 dB的不同灰度目標(biāo)上的圖像深度為30 mm，如圖 3H.結(jié)果表明，一維陣列可以清楚地識別該模型中具有?1和+3 dB的最低對比度目標(biāo)，這表明該一維陣列（3，3）具有足夠的對比度靈敏度（~1 dB）。為了進一步評估cUSBr貼片在曲面上的成像質(zhì)量，使用了橢圓形模型（型號US-12，京都制造株式會社）（圖S45）。拍攝了六張單獨的圖像，清晰而清晰地描繪了一個大球體物體、一個管狀物體、一個豆形物體、一個方形金字塔物體、一個圓柱形物體和一個立方體物體，其深度和位置都清晰而清晰（電影S18）。為了研究陣列的散熱情況，當(dāng)設(shè)備由Vantage 12系統(tǒng)在3 V的工作電壓下運行時，通過熱像儀（Teledyne FLIR LCC）在10分鐘內(nèi)測量設(shè)備的溫度。由于其低工作功率和相對較薄的結(jié)構(gòu)（<256 mm）用于散熱，該陣列可以在50 V以下保持恒定的表面溫度（23°C，變化7%）50分鐘（圖S10）。模型數(shù)據(jù)和熱測試都表明，我們的相控陣適用于人體軟組織的臨床研究（3）。

乳腺組織的體內(nèi)研究

招募了一名有乳腺異常病史的女性受試者（詳見材料和方法）。我們首先使用帶有Vantage 256系統(tǒng)的cUSBr-Patch對兩個乳房進行成像，然后通過ML6-15線性探針與GE Logiq E10系統(tǒng)交叉驗證結(jié)果（圖S14）。圖 4（A 和 B）顯示左乳房上的貼片以及沿貼片中設(shè)計跡線從位置 1 到 6 的掃描序列 （圖 1D和電影S4）。由于合理的最大圖像深度和軸向/橫向分辨率，我們可以從不同位置清楚地觀察各種乳房組織（圖 4， C 到 H).在位置4處，可以檢測到直徑為1厘米的囊腫，由于聲阻抗低于周圍組織，因此看起來也具有局限性和低回聲。為了更好地定義病變形狀，通過操縱跟蹤器將位置 1 至 4 處的陣列分別從其初始 0° 方向旋轉(zhuǎn)到 60° 和 120°（圖 4， I 到 L，以及圖 S14）。囊腫通過所有三個不同角度的超聲圖像被識別為大致的球形?；谛D(zhuǎn)圖像的多角度重建圖像和視頻如圖所示圖 4 （M 至 O）和電影S5。

圖 4.乳腺組織的體內(nèi)研究。

(A）女性受試者左乳房上的cUSBr貼片的照片。（B）蜂窩貼片六個不同位置的乳房掃描痕跡示意圖。（C 至 H） 位置 1 至 6 的超聲圖像。（I） 跟蹤器陣列旋轉(zhuǎn)示意圖。（J 到 L） 當(dāng)陣列在位置 0 以不同角度（60°、120° 和 4°）順時針旋轉(zhuǎn)時，陣列的超聲圖像。（M 到 O） 位置 4 處具有不同視角（?15°、中心視圖和 +15°）的多角度圖像重建。藍(lán)色虛線圓圈表示低回聲病變。比例尺，2厘米（A）和1厘米（C）至（高）和（J）至（O）。

我們還使用相同的掃描序列來檢查受試者的右乳房（圖S15）。右乳房的cUSBr貼片檢測到直徑為0.3厘米的較小囊腫。在完成對的檢查后，我們使用GE ML6-15線性陣列商用探頭，設(shè)置在相同頻率（7 MHz）下，通過cUSBr-Patch交叉驗證成像結(jié)果。超聲專家檢查了兩個乳房的同一區(qū)域，發(fā)現(xiàn)左乳房有一個較大的囊腫（直徑為1厘米），右乳房有一個較小的囊腫（直徑為0.3厘米）（圖S17），這表明我們的貼片可以精確地觀察到這些病變，并具有檢測早期乳腺腫瘤的潛在可靠能力（見注S1）。cUSBr-Patch識別0.1厘米量級異常的能力對于在腫瘤達(dá)到2厘米之前實現(xiàn)早期乳腺癌檢測至關(guān)重要（49）。此外，當(dāng)我們比較視場時，這種孔徑較窄（橫向尺寸為1 mm）的一維相控陣可提供與GE ML8-50相同的視場（扇形，3 mm視場深度為6 cm）（圖S15）。它還在深度超過18毫米的深度處顯示出很好的視野。雖然相控陣可能無法完全覆蓋靠近皮膚表面的一些淺處，但這仍然適用于深部病變，因為乳腺腫瘤靠近皮膚和脂肪（30毫米深度以內(nèi)）的可能性非常低（10-50）。此外，在交叉驗證之前，我們使用補丁來檢查成像性能隨時間推移的穩(wěn)定性。該陣列在以52分鐘間隔4分鐘后仍能檢測到位置30處具有相似圖像質(zhì)量的大囊腫（圖S15），表明蜂窩貼片導(dǎo)致陣列定位的可重復(fù)性，這是實現(xiàn)長期監(jiān)測的關(guān)鍵能力。總之，我們試圖解決在乳房上成像的巨大挑戰(zhàn)，乳房在人體皮膚上具有最大的曲率，與最近的設(shè)計相比，依靠水凝膠固定單超聲陣列（19）或基于可拉伸基質(zhì)的設(shè)計，具有數(shù)百個元素進行長時間成像（19).使用具有大量元素的基質(zhì)完全覆蓋乳房，或者經(jīng)常在乳房的不同位置貼上/剝離小貼片，都不是理想的策略。此外，與心臟、膀胱和其他器官監(jiān)測不同，乳房成像集中在乳房中囊腫的確切位置，而不是在人的活動中需要連續(xù)成像。這就是為什么我們提出了首創(chuàng)的身體超聲技術(shù)，該技術(shù)將順應(yīng)貼片與旋轉(zhuǎn)相控陣相結(jié)合，以結(jié)合HHUS和ABUS的優(yōu)點，特別是在乳房應(yīng)用方面。cUSBr-Patch使用自然靈感的蜂窩設(shè)計將陣列固定到位，以便陣列可以輕松旋轉(zhuǎn)并移動到不同的位置，從而能夠以更精簡和標(biāo)準(zhǔn)化的方式觀察乳房組織。cUSBr-Patch通過使用具有固定晶片間距的高頻相控陣探頭（12），進一步避免了對3D掃描儀或復(fù)雜波束成形算法的需求。

討論

在這項工作中，我們推出了一種首創(chuàng)的超聲技術(shù)，該技術(shù)采用自然靈感設(shè)計，以可穿戴的形式提供無創(chuàng)、大視野、實時、用戶友好和連續(xù)的彎曲乳房組織監(jiān)測。這項工作遵循全面的系統(tǒng)方法，從先進壓電晶體的合成和表征，到陣列設(shè)計和性能評估，到自然啟發(fā)的貼片設(shè)計，再到乳房實時成像的臨床演示，并最終開發(fā)出用于無創(chuàng)軟組織掃描和成像的全新設(shè)備。

一維陣列與自然靈感貼片的集成，以及Yb/Bi PIN-PMN-PT晶體（d33= 2800 pC/N， ?33/?0= 7000， Tc= 160°C， TR-T= 109°C 和 Ec= 5.3 kV/cm），提供高性能圖像制作，具有 （i） 深圖像深度 （~80 mm），（ii） 足夠的對比度靈敏度（3 mm 深度時 ~30 dB），（iii） 所需的軸向/橫向分辨率 （0.25/1.0 mm），以及 （iv） 用于乳腺組織成像的更大視場，已通過商用超聲探頭 （圖3和和 4）。4).此外，受自然啟發(fā)的蜂窩貼片設(shè)計提供了多項改進，包括 （i） 能夠穿越 15 個成像部分的路徑（圖 3D），這使得掃描可以直接定位典型四象限指定之外的病變位置;（ii）陣列的機械支撐和穩(wěn)定性，帶有跟蹤器，通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)不同角度的圖像;（iii） 取消要求操作員經(jīng)常握住設(shè)備的要求，這對于在未來的家庭篩查中解放操作員的雙手尤其重要;以及（iv）出色的可重復(fù)性位置，展示了用于長期監(jiān)測的可靠和可比的乳腺組織篩查。對于實際應(yīng)用，其他優(yōu)點占主導(dǎo)地位，例如可重復(fù)使用性，易于操作，以及從病變尺寸尚未超過2cm的早期階段開始在家中連續(xù)監(jiān)測乳房異常的可行性增加（見注S1）。cUSBr-Patch能夠?qū)χ睆郊s0.3厘米的囊腫進行可辨別的成像，使其適用于早期乳腺癌篩查（圖S16）。對于大面積成像，單個用戶可以沿著蜂窩狀貼片將陣列移動到不同位置以獲得包羅萬象的表示，而醫(yī)院可以同時使用多個陣列，通過多角度圖像重建實現(xiàn)時空準(zhǔn)確的圖像。

未來的研究將集中在許多進展上，從引入帶有聚合物基板的尺寸可定制貼片，嵌入多個1D陣列以避免隨機手動掃描，到在醫(yī)療或藥物治療過程中進行長期成像的密集臨床試驗，再到具有后端功能的便攜式系統(tǒng)，可實現(xiàn)日常自我篩查。因此，這可以允許個性化超聲圖譜生成以及大數(shù)據(jù)收集（例如，組織圖像和人工智能分析結(jié)果）發(fā)送給醫(yī)生進行快速客觀的評估?？梢蚤_發(fā)此類系統(tǒng)以與無線通信共同集成，以連續(xù)臨床監(jiān)測各種軟組織狀況，其中通過cUSBr-Patch測量的圖像變化可以通過軟組織異常進展的時間依賴性改變或整個藥物治療的反應(yīng)來預(yù)測。

材料和方法

自然靈感貼片的制作

該貼片是用3D打印機（Prusa i3 MK3S+）打印的，上面有兩層不同的材料：白色TPU層和大理石色PLA層（圖 1E).打印從 100% 填充的白色 TPU 長絲開始，并被編程為在貼片的特定層處暫停。然后將 TPU 換成大理石（PLA 和打印機繼續(xù)使用，直到零件完成）。不同材料之間的連接在最初不夠堅固以提供足夠連接的附著區(qū)域用強力膠加強。Linlinzz圓形磁鐵插入每個圓形凹口中，這些凹口設(shè)計為壓配，并且還粘合以加強它們在貼片中的位置。所有磁體的方向都使其具有相同的極性方向（圖 1E).貼片的罩杯形狀經(jīng)過設(shè)計和測試，以適合懷孕期間從B號罩杯長到D號罩杯的懷孕參與者的乳房。四個矩形磁鐵（LOVIMAG，12 mm x 5 mm x 3 mm）被強力粘在貼片耳朵上的貼片外側(cè)，貼片連接到胸罩的上部和罩杯的側(cè)面，以便貼片可以粘附在嵌入胸罩內(nèi)的矩形磁鐵上。杯子本身包含四個圓形磁鐵，這些磁鐵連接到跟蹤器上，用于在周圍放置陣列。貼片的近乎扁平的片子包含另外兩個圓形開口，可以在胸部的上象限進一步檢測，向腋窩延伸（圖 1D).為了使貼片緊貼胸罩內(nèi)的矩形磁鐵，四個矩形磁鐵被強力粘在貼片的外部，貼片的耳朵連接到胸罩的頂部和杯子的側(cè)面。

跟蹤器在ELEGOO MARS 45樹脂打印機中以2°角打印，使用丙烯腈丁二烯苯乙烯類光敏聚合物樹脂材料（圖 1F).然后用UV固化盒機器對其進行固化以提高強度，以使跟蹤器足夠堅固，可以承受在攜帶和旋轉(zhuǎn)一維陣列期間經(jīng)歷的扭轉(zhuǎn)力。選擇插腳的數(shù)量是為了保持平面穩(wěn)定性，同時最大限度地減少跟蹤器所需的材料并降低制造復(fù)雜性。跟蹤器上的圓形磁鐵（Linlinzz，直徑：1 mm，厚度：2 mm）與貼片上的磁鐵對齊，因為它們與中心具有相同的特定距離，并且相距 1°。壓接磁鐵再次在跟蹤器中用強力膠加固，并且磁鐵以正確的方向翻轉(zhuǎn)以與貼片中的磁鐵對齊。磁鐵以正確的方向在胸罩的兩層布層之間對齊，以吸引貼片的矩形磁鐵。矩形磁鐵放置在胸罩中，使貼片的中心部分覆蓋，標(biāo)簽沿腋窩方向延伸。在文胸的外側(cè)放置了一個支撐矩形磁鐵，以將每個內(nèi)部磁鐵固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫▓D 1E).然后通過將兩層黑線縫合穿過矩形磁鐵周圍的胸罩織物層來固定內(nèi)部磁鐵。所有磁鐵的方向都使它們具有相同的極性方向。縫合每個內(nèi)磁鐵后，可以移除固定的外部磁鐵。然后將陣列的圓形輪廓標(biāo)記并從胸罩中切出，與貼片開口對齊。為了在組件內(nèi)連接跟蹤器和陣列，跟蹤器被磁性連接并穩(wěn)定在貼片的一個開口的外表面上。桿伸入杯中，手柄從杯子上伸出。然后將莖的末端強粘在陣列的中心。

壓電單晶的制備

Yb和Bi共摻雜的PIN-PMN-PT單晶采用改進的布里奇曼方法生長.首先，InNbO4和鎂鈍2O6前驅(qū)體材料分別在1100°和1200°C下制造6小時。鉛3O4， 鎂鈮2O6， InNbO4， Yb2O3， 畢2O3和 TiO2使用鋯球磨以乙醇為溶劑濕混合粉末24小時。然后，將混合粉末在850°C下煅燒2小時，并在乙醇中振動研磨24小時。將預(yù)合成的三元化合物裝入圓柱形Pt坩堝中，底部為單晶種子。然后將坩堝放入三區(qū)立式布里奇曼爐中。獲得的晶體滾球直徑為40毫米，長度約為50毫米（圖 2B).

壓電單晶的表征

樣品的晶體結(jié)構(gòu)是通過XRD（布魯克D8）確定的。樣品的能量色散X射線元素圖通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（蔡司雙子座SEM 500）測量。為了進一步的電測量，在600°C下在樣品的兩側(cè)發(fā)射銀漿10分鐘以形成電極。將樣品在25°C的硅油中極化10分鐘，使用強度為15 kV/cm的直流電場。壓電系數(shù)由阻抗法和準(zhǔn)靜態(tài)d相結(jié)合確定33米。在諧振方法中，使用HP4194A阻抗分析儀測量諧振和反諧振頻率。然后使用由鎖相放大器（斯坦福研究系統(tǒng)，型號SR830）驅(qū)動的線性差分傳感器測量由外部電場引起的單極應(yīng)變，該傳感器連接到計算機控制的冷卻-加熱階段。

一維相控陣的制造

一維相控陣是在哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心和麻省理工學(xué)院介質(zhì)實驗室的潔凈室設(shè)施（YellowBox）制造和組裝的。制造涉及三個步驟：（i）創(chuàng)建1元素一維陣列，（ii）電極沉積和圖案化，然后是電纜鍵合，以及（iii）創(chuàng)建匹配和背襯層。傳統(tǒng)的切塊和填充方法用于制造一維相控陣。為了在樣品上實現(xiàn)64條切割線，使用了帶有1μm厚的人造金剛石刀片的切割機（DISCO，日本東京，型號DAD 1）（DISCO，日本東京，Z65-SD321-Y15-09）。為了增加晶體足跡并最大限度地減少刀片振動造成的損壞，我們的研究實驗室為DISCO制定了適當(dāng)?shù)囊?guī)格，以定制制造超薄切割刀片。每個元素的切割間距、切口和實際寬度分別為 3000、1 和 60 μm。為了避免對元件造成任何機械傷害，切割速度固定在125.30 mm/s。切割深度約為 95 μm，大于最終所需的厚度，以便進一步拋光。環(huán)氧樹脂（EPO-TEK 0，環(huán)氧技術(shù)公司，美國）用于填充切口并通過真空脫氣消除陶瓷中的橫向振動，并在25°C下固化350小時。在研磨頂面以露出陶瓷元件后，在兩側(cè)添加導(dǎo)電環(huán)氧樹脂條（E-Solder 301，豐羅美國公司），將底電極連接到頂面（圖S65）。最后，將整個陣列拋光至設(shè)計厚度，并再次用環(huán)氧樹脂封裝在圓形模具中。

鉻（Cr，10 nm）和金（Au，300 nm）通過電子束（電子束）蒸發(fā)（Denton電子束沉積）沉積在陣列的上表面。將一層光刻膠（AZ 5214-E IR，MicroChem Corp.）以3000rpm的速度旋轉(zhuǎn)涂覆到電極上60秒，然后在65°C下烘烤10分鐘。然后，將陣列在掩模對準(zhǔn)器（MJB10，SüSS MicroTec SE，德國）下紫外線照射4 s，在顯影劑（MIF AZ 60，MicroChem Corp.）中顯影726 s，然后分別用Au和Cr蝕刻劑溶液濕法蝕刻120和20秒。用丙酮、異丙醇 （IPA） 和去離子水剝離后，完成頂部表面上的最終電極圖案，包括 64 條電極跡線和 2 條寬跡線在 E-Solder 3022 條（圖 S8）。最后，通過電子束蒸發(fā)將鉻（Cr，10 nm）和金（Au，300 nm）層沉積在陣列的底表面上。底部電極完全覆蓋了電子焊料 3022 的所有元件和條帶。ACF電纜在顯微鏡下粘合到陣列和印刷電路板接口上。粘合區(qū)域用強壓施加，并在65°C的烘箱中固化1小時。

通過添加匹配層和背襯層獲得最終數(shù)組。對于配套層制備，氧化鋯粉[5μm，99%;化學(xué)文摘社（CAS）編號：1314-23-4，西格瑪奧德里奇公司]被選為填料，環(huán)氧樹脂（EPO-TEK 301，美國環(huán)氧技術(shù)公司）用作基體。The ZrO2先將粉末與環(huán)氧溶液按3：1的比例混合，得到均勻的混合物，倒入模具中，以2000rpm離心10分鐘，然后在65°C下在烘箱中固化2小時。將第一匹配層拋光至設(shè)計厚度后，將環(huán)氧溶液澆鑄在第一匹配層的表面上并拋光，以達(dá)到第二匹配層。對于背襯層制備，鎢（W）粉末（APS 1至5μm，99.9%;CAS號：7440-33-7，阿法埃莎）被選為填料，環(huán)氧樹脂（EPO-TEK 301，美國環(huán)氧技術(shù)公司）作為基體。先將W粉與環(huán)氧溶液按4：1的比例混合，得到均勻的混合物，倒入模具中，以2500rpm離心10分鐘，然后在65°C下在烘箱中固化2小時。通過將表面拋光到設(shè)計厚度來獲得最終的背襯層。最后，通過環(huán)氧溶液將匹配層和背襯層粘合到陣列上。對粘合區(qū)域施加牢固的壓力，然后在65°C的烘箱中固化1小時。

一維陣列的表征

使用阻抗分析儀（安捷倫 E4991A，安捷倫科技公司，美國加利福尼亞州圣克拉拉）在室溫下在空氣中測量切塊元件和制造陣列的電阻抗。兩個關(guān)鍵參數(shù)，諧振頻率（fr）和反共振頻率（f一個），可以從阻抗譜中獲得。有效機電耦合系數(shù)（k伊芙） 使用以下公式計算k伊芙=f2一個?f2rf2一個???????√

(1)

為了進行聲學(xué)測試以獲得帶寬，使用脈沖發(fā)生器/接收器（JSR Ultrasonics DPR 300）以100 V的電壓單獨激勵來自換能器的單個元件，然后由元件本身接收。水箱中有一個大圓盤石英用于反射。調(diào)整陣列和石英之間的相對位置以獲得最強的信號。雙向回波響應(yīng)由元件本身捕獲并顯示在示波器（PicoScope 5444B）上，而頻域則通過快速傅里葉變換（FFT）計算。中心頻率fc?6 dB帶寬（BW%）的計算公式為：

自然色貼片的組裝和操作

受試者首先穿胸罩，胸罩的一側(cè)嵌入了磁鐵。貼片攜帶連接的跟蹤器和陣列，通過對齊的矩形磁鐵卡在胸罩上。受試者通過抓住跟蹤器的手柄，將陣列穿過貼片的缺口路徑并沿乳房移動到所需位置。當(dāng)陣列處于打開位置并接觸皮膚時，可以使用Vantage 256系統(tǒng)獲得超聲圖像。此外，陣列可以旋轉(zhuǎn)到各種方向，貼片和文胸之間的柔性電纜可以在磁鐵之間滑動，以實現(xiàn) 360° 全方位旋轉(zhuǎn)。由于跟蹤器和貼片之間的磁性連接，陣列可以固定到位，無需進一步的手動支持。通過將縫在文胸中的矩形磁鐵與連接到貼片的矩形磁鐵分離，可以去除貼片及其組件。胸罩可以翻過來評估另一個乳房，這個過程就可以完成。在成像程序之后，受試者可以單獨佩戴帶有嵌入式磁鐵的胸罩。盡管設(shè)計一致，但如果沒有用戶的手動支持，僅靠磁鐵的強度不足以確保陣列傾斜的一致性。從跟蹤器底部中心突出的莖被超級粘在超聲陣列的背面，永久融合這兩個部分。莖的直徑為2.5毫米，足夠薄，可以通過補丁中的凹口路徑進行操縱，這些凹口的寬度為4毫米。

幻影上的聲學(xué)成像

多用途、多組織超聲模型（型號040GSE計算機化成像參考系統(tǒng)公司）用于相控陣的性能和質(zhì)量保證測試（圖S10）。對于這個模型，凝膠用于確保聲耦合（Aquasonic 100超聲傳輸凝膠，派克實驗室公司）。具有橢圓形和曲面的US-18基本超聲模型（京都制造株式會社）用于不同3D物體的陣列成像（圖S11）。

人體臨床研究

關(guān)于有乳房異常病史的受試者的所有程序均按照麻省理工學(xué)院（MIT）使用人類作為實驗受試者委員會批準(zhǔn)的實驗方案進行（COUHES，第2011000271號）。參與者填寫了知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)為女性，年齡18至85歲，體重指數(shù)在17至40 kg / m之間2.受試者因有重大健康問題（如慢性或急性心血管疾病和皮膚?。┮约吧眢w和/或行為健康障礙而被排除在外，限制了遵循指示和完成研究相關(guān)活動的能力。受試者可能有以下不健康的乳房或相關(guān)問題（如乳房疼痛、乳房壓痛、腫瘤、囊腫、纖維腺瘤、脂肪壞死、硬化性腺病、全身性乳房腫塊等）。臨床研究在麻省理工學(xué)院臨床與轉(zhuǎn)化研究中心（CCTR）進行（圖S14）。首先使用帶有cUSBr貼片的Vantage 256系統(tǒng)進行成像，然后由臨床GE Logiq E10（GE Healthcare，威斯康星州沃科夏）使用線性探針（GE ML6-15）進行驗證。掃描11-08超聲凝膠（派克實驗室公司）用于聲耦合。麻省理工學(xué)院CCTR的兩名臨床研究護士協(xié)調(diào)員和GE醫(yī)療的一名臨床應(yīng)用專家在這項研究中得到了協(xié)助。

招募了71歲體重指數(shù)為37，乳房病史異常的受試者。受試者被要求仰臥在檢查臺上，并調(diào)整她的衣服以超聲波掃描進入她的乳房。首先，我們使用受試者左乳房上的相控陣從外邊緣順時針掃描乳房，然后定位病變并掃描乳房。其次，受試者被要求穿上設(shè)計的胸罩和補丁。然后，我們根據(jù)貼片設(shè)計在六個不同位置再次掃描左乳房，然后在右乳房掃描后通過旋轉(zhuǎn)測試可靠性并獲得多角度圖像。為了驗證成像，在取下胸罩和貼片后，專家使用受試者乳房上的GE ML6-15探頭從外邊緣到再次順時針掃描，并確認(rèn)病變及其位置。最后，通過干凈的擦拭器從受試者的皮膚上清潔超聲凝膠。

光束形成和圖像處理

使用標(biāo)準(zhǔn)聚焦波束形成方法進行實時成像。傳輸延遲設(shè)置為使用 45 條射線線掃描 ±128°。成像深度設(shè)置為60 mm，透射焦點為50 mm。發(fā)射激勵為50 V時的單周期正弦，中心頻率設(shè)置為7.0 MHz。成像動態(tài)范圍設(shè)置為60 dB。使用三角形切趾，提供高空間分辨率，同時將旁瓣降低到-27 dB。手動調(diào)整時間增益控制以隨深度增加，衰減靠近陣列的強信號，同時放大遠(yuǎn)離陣列的信號以提供更均勻的圖像亮度。代表性視頻（電影S4）使用開放廣播軟件進行屏幕錄制。在后期處理中，使用Python腳本裁剪視頻以僅顯示超聲圖像，然后根據(jù)需要重新調(diào)整圖像動態(tài)范圍。通常，動態(tài)范圍被重新調(diào)整為55 dB，因為更高的動態(tài)范圍開始顯示本底噪聲。使用040GSE模型評估陣列成像分辨率，其中包括分為軸向和橫向組（圖 3D).裁剪每個導(dǎo)線目標(biāo)的圖像，將動態(tài)范圍轉(zhuǎn)換為6 dB，并測量軸向和橫向點擴散函數(shù)（PSF）尺寸以產(chǎn)生圖 3 （E 和 F）.對于多角度圖像重建，視頻被裁剪，動態(tài)范圍被重新縮放，如前所述。對應(yīng)于 0°、60° 和 120° 旋轉(zhuǎn) （圖 4， J 到 L），然后使用 Python 3D 渲染庫 Napari 組合成 3D 圖像。多角度圖像旋轉(zhuǎn)了±15°，以使圖像的3D性質(zhì)更加明顯，如圖 4 （M 至 O）和電影S5。

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網(wǎng)址: 用于深層組織掃描和成像的順應(yīng)超聲乳房貼片 http://m.u1s5d6.cn/newsview254371.html