麻省理工研發(fā)出3D 打印可穿戴超聲設(shè)備，使得早期乳腺癌的篩查更便捷

2023年8月7日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院的研究人員利用 3D 打印開(kāi)創(chuàng)了一種突破性的可穿戴超聲設(shè)備，專(zhuān)門(mén)用于乳腺癌的早期檢測(cè)。這項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)明強(qiáng)調(diào)了 3D 打印應(yīng)用的巨大潛力，旨在通過(guò)促進(jìn)早期腫瘤檢測(cè)來(lái)改善乳腺癌患者的存活率。

乳腺癌檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題是間隔癌的發(fā)生，即在定期乳房X光檢查之間形成的腫瘤。這些腫瘤占乳腺癌病例的 20% 至 30%，并且通常比常規(guī)掃描中檢測(cè)到的腫瘤更具侵襲性。這一緊迫問(wèn)題啟發(fā)了麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室副教授、該研究的資深作者 Canan Dagdeviren 設(shè)想一種可以無(wú)縫集成到胸罩中的診斷設(shè)備，從而能夠?qū)Ω唢L(fēng)險(xiǎn)人群進(jìn)行更頻繁的篩查。

這項(xiàng)研究成果以題為“Conformable ultrasound breastpatch for deep tissue scanning and imaging/用于深層組織掃描和成像的適形超聲乳腺貼片”的論文被發(fā)表在《Science Advances》期刊上。這項(xiàng)研究的目的是使乳腺癌診斷更容易，從而消除患者頻繁到訪醫(yī)療成像中心的必要。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh5325

讓癌癥篩查觸手可及

麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的可穿戴診斷設(shè)備被稱(chēng)為cUSBr-Patch，由一個(gè)靈活的3D 打印貼片組成，帶有“蜂窩狀開(kāi)口”，可提供全面的深度掃描和多角度乳腺成像。該貼片可通過(guò)磁性吸附在胸罩上，并裝有超聲波掃描儀，使用戶(hù)可以隨時(shí)進(jìn)行成像。雖然這款小型掃描儀基于傳統(tǒng)超聲波技術(shù)，但它開(kāi)創(chuàng)性地采用了壓電材料，為其緊湊型設(shè)計(jì)鋪平了道路。

它的獨(dú)特之處在于它的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、易于操作以及無(wú)縫集成到胸罩等日常穿著中。3D 打印在制作補(bǔ)丁過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這款受自然啟發(fā)的設(shè)備是使用Prusa i3 MK3S+ 3D 打印機(jī)和白色 TPU（熱塑性聚氨酯）和大理石色 PLA（聚乳酸）材料制造的。

△麻省理工學(xué)院的 3D 打印可穿戴診斷貼片。圖片由 Canan Dagdeviren/麻省理工學(xué)院提供。

根據(jù)研究人員發(fā)表的論文，這個(gè)過(guò)程涉及復(fù)雜的分層、中途切換材料以及用強(qiáng)力膠加強(qiáng)連接。專(zhuān)為壓接而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用圓形磁鐵被放置在貼片內(nèi)，所有磁鐵都沿統(tǒng)一方向定向。該貼片專(zhuān)為適應(yīng)不同的乳房尺寸而設(shè)計(jì)，特別適合在懷孕期間從 B 罩杯過(guò)渡到 D 罩杯的參與者。各種磁鐵（圓形和矩形）被策略性地放置在貼片上，以方便連接胸罩和隨附的跟蹤器，這是成像陣列的關(guān)鍵。

△cUSBr-Patch的設(shè)計(jì)概述。來(lái)自《Science Advances》

追蹤器本身是使用Elegoo Mars 2樹(shù)脂打印機(jī)和丙烯腈丁二烯苯乙烯類(lèi)光敏聚合物樹(shù)脂材料打印的，并通過(guò)紫外線固化進(jìn)行了后處理，以提高耐用性。它設(shè)計(jì)有多個(gè)插腳以確保穩(wěn)定性，并且包含與貼片上的磁鐵完美對(duì)齊的磁鐵。這些磁鐵與其他縫在胸罩織物中的磁鐵一起，確保貼片正確定位在乳房上。然后，跟蹤器通過(guò)磁性附著在貼片上，使其能夠正確引導(dǎo)成像陣列。

貼片上的掃描儀能夠從六個(gè)不同的位置和角度對(duì)整個(gè)乳房進(jìn)行成像，用戶(hù)友好，不需要任何專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)。麻省理工學(xué)院工程學(xué)院院長(zhǎng)、Vannevar Bush 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、該研究的作者之一 AnanthaChandrakasan 強(qiáng)調(diào)：“這項(xiàng)技術(shù)為乳腺癌的檢測(cè)和早期診斷提供了基本能力，取得積極成果的關(guān)鍵。這項(xiàng)工作將利用材料、低功耗電路、人工智能算法和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)步，顯著推進(jìn)超聲研究和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)。”

概念證明

研究團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院臨床和轉(zhuǎn)化研究中心合作，成功在有乳腺囊腫病史的受試者身上測(cè)試了該設(shè)備。令人印象深刻的是，這款可穿戴貼片能夠檢測(cè)到直徑小至 0.3 厘米的囊腫，這是早期腫瘤的典型尺寸。這不僅證明了該設(shè)備在早期檢測(cè)方面的潛力，而且還重申了其實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)超聲波機(jī)器類(lèi)似的分辨率的能力。

麻省理工學(xué)院中心的護(hù)士主任、該研究的作者之一凱瑟琳·里恰爾迪 (CatherineRicciardi) 表示：“獲得優(yōu)質(zhì)且負(fù)擔(dān)得起的醫(yī)療保健對(duì)于早期發(fā)現(xiàn)和診斷至關(guān)重要。作為一名護(hù)士，我親眼目睹了延遲診斷的負(fù)面后果。這項(xiàng)技術(shù)有望通過(guò)提供更可靠、舒適且不那么令人生畏的診斷來(lái)打破早期乳腺癌檢測(cè)的許多障礙�！�

△麻省理工學(xué)院創(chuàng)造了一種可以附著在胸罩上的柔性貼片，允許佩戴者沿著貼片移動(dòng)超聲波跟蹤器，并從不同角度對(duì)乳房組織進(jìn)行成像。圖片由 Canan Dagdeviren/麻省理工學(xué)院提供

未來(lái)前景

雖然當(dāng)前的原型需要連接到標(biāo)準(zhǔn)超聲波機(jī)器才能查看圖像，但麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)正在努力開(kāi)發(fā)一種更緊湊的成像系統(tǒng)，其大小與智能手機(jī)差不多。他們的愿景是一種可以在家中重復(fù)使用的工具，特別有利于那些乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)較高或定期篩查機(jī)會(huì)有限的人。

在未來(lái)的迭代中，研究人員的目標(biāo)是引入“具有多個(gè)一維陣列的尺寸可定制補(bǔ)丁”，從而消除手動(dòng)掃描的需要。長(zhǎng)期目標(biāo)是讓個(gè)人（尤其是高風(fēng)險(xiǎn)人群）能夠進(jìn)行日常自我篩查，并更輕松地將這些數(shù)據(jù)（包括人工智能分析的結(jié)果）發(fā)送給醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行快速審查。此外，他們預(yù)計(jì)這些系統(tǒng)將與無(wú)線通信集成，以促進(jìn)持續(xù)的臨床監(jiān)測(cè)和快速檢測(cè)是否存在任何異常情況。

△麻省理工學(xué)院的博士后卡南·達(dá)格德維倫 (Canan Dagdeviren) 在其家人的床邊繪制了一個(gè)診斷設(shè)備的粗略示意圖，該設(shè)備可以集成到胸罩中，從而可以對(duì)乳腺癌高危女性進(jìn)行更頻繁的篩查。圖片由 Canan Dagdeviren/麻省理工學(xué)院提供

馬薩諸塞州總醫(yī)院的乳腺癌外科醫(yī)生Tolga Ozmen 強(qiáng)調(diào)了這款可穿戴式超聲波掃描儀如何幫助女性擺脫前往影像中心的不便：“乳腺癌是女性中最常見(jiàn)的癌癥，如果及早發(fā)現(xiàn)，是可以治療的。成像和早期檢測(cè)的主要障礙之一是女性必須往返于成像中心。這種舒適的超聲貼片是一項(xiàng)非常有前途的技術(shù)，因?yàn)樗�消除了女性前往成像中心的需要。�?/div>

此外，研究團(tuán)隊(duì)正在研究使用人工智能來(lái)分析和比較一段時(shí)間內(nèi)的超聲圖像，這可以提供比放射科醫(yī)生檢查相隔數(shù)年的圖像更準(zhǔn)確的診斷。當(dāng)然，乳腺癌的潛力并不止于此。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)掃描身體的其他部位，未來(lái)有可能引發(fā)早期癌癥檢測(cè)的革命。