麻省理工研發(fā)出3D 打印可穿戴超聲設備，使得早期乳腺癌的篩查更便捷

2023年8月7日，南極熊獲悉，麻省理工學院的研究人員利用 3D 打印開創(chuàng)了一種突破性的可穿戴超聲設備，專門用于乳腺癌的早期檢測。這項具有里程碑意義的發(fā)明強調(diào)了 3D 打印應用的巨大潛力，旨在通過促進早期腫瘤檢測來改善乳腺癌患者的存活率。

乳腺癌檢測領域的一個重要問題是間隔癌的發(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)掃描中檢測到的腫瘤更具侵襲性。這一緊迫問題啟發(fā)了麻省理工學院媒體實驗室副教授、該研究的資深作者 Canan Dagdeviren 設想一種可以無縫集成到胸罩中的診斷設備，從而能夠?qū)Ω唢L險人群進行更頻繁的篩查。

這項研究成果以題為“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

麻省理工學院開發(fā)的可穿戴診斷設備被稱為cUSBr-Patch，由一個靈活的3D 打印貼片組成，帶有“蜂窩狀開口”，可提供全面的深度掃描和多角度乳腺成像。該貼片可通過磁性吸附在胸罩上，并裝有超聲波掃描儀，使用戶可以隨時進行成像。雖然這款小型掃描儀基于傳統(tǒng)超聲波技術，但它開創(chuàng)性地采用了壓電材料，為其緊湊型設計鋪平了道路。

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

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

根據(jù)研究人員發(fā)表的論文，這個過程涉及復雜的分層、中途切換材料以及用強力膠加強連接。專為壓接而設計的專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。該貼片專為適應不同的乳房尺寸而設計，特別適合在懷孕期間從 B 罩杯過渡到 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，這是成像陣列的關鍵。

△cUSBr-Patch的設計概述。來自《Science Advances》

追蹤器本身是使用Elegoo Mars 2樹脂打印機和丙烯腈丁二烯苯乙烯類光敏聚合物樹脂材料打印的，并通過紫外線固化進行了后處理，以提高耐用性。它設計有多個插腳以確保穩(wěn)定性，并且包含與貼片上的磁鐵完美對齊的磁鐵。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，跟蹤器通過磁性附著在貼片上，使其能夠正確引導成像陣列。

貼片上的掃描儀能夠從六個不同的位置和角度對整個乳房進行成像，用戶友好，不需要任何專門的培訓。麻省理工學院工程學院院長、Vannevar Bush 電氣工程和計算機科學教授、該研究的作者之一 AnanthaChandrakasan 強調(diào)：“這項技術為乳腺癌的檢測和早期診斷提供了基本能力，取得積極成果的關鍵。這項工作將利用材料、低功耗電路、人工智能算法和生物醫(yī)學系統(tǒng)的進步，顯著推進超聲研究和醫(yī)療設備設計�！�

概念證明

研究團隊與麻省理工學院臨床和轉(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試了該設備。令人印象深刻的是，這款可穿戴貼片能夠檢測到直徑小至 0.3 厘米的囊腫，這是早期腫瘤的典型尺寸。這不僅證明了該設備在早期檢測方面的潛力，而且還重申了其實現(xiàn)與傳統(tǒng)超聲波機器類似的分辨率的能力。

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

△麻省理工學院創(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超聲波跟蹤器，并從不同角度對乳房組織進行成像。圖片由 Canan Dagdeviren/麻省理工學院提供

未來前景

雖然當前的原型需要連接到標準超聲波機器才能查看圖像，但麻省理工學院團隊正在努力開發(fā)一種更緊湊的成像系統(tǒng)，其大小與智能手機差不多。他們的愿景是一種可以在家中重復使用的工具，特別有利于那些乳腺癌風險較高或定期篩查機會有限的人。

在未來的迭代中，研究人員的目標是引入“具有多個一維陣列的尺寸可定制補丁”，從而消除手動掃描的需要。長期目標是讓個人（尤其是高風險人群）能夠進行日常自我篩查，并更輕松地將這些數(shù)據(jù)（包括人工智能分析的結果）發(fā)送給醫(yī)療專業(yè)人員進行快速審查。此外，他們預計這些系統(tǒng)將與無線通信集成，以促進持續(xù)的臨床監(jiān)測和快速檢測是否存在任何異常情況。

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

馬薩諸塞州總醫(yī)院的乳腺癌外科醫(yī)生Tolga Ozmen 強調(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的癌癥，如果及早發(fā)現(xiàn)，是可以治療的。成像和早期檢測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非常有前途的技術，因為它消除了女性前往成像中心的需要�！�

此外，研究團隊正在研究使用人工智能來分析和比較一段時間內(nèi)的超聲圖像，這可以提供比放射科醫(yī)生檢查相隔數(shù)年的圖像更準確的診斷。當然，乳腺癌的潛力并不止于此。該團隊計劃采用這項技術來掃描身體的其他部位，未來有可能引發(fā)早期癌癥檢測的革命。