变形超声波贴纸可检测术后并发症

由西北大学和圣路易斯华盛顿大学医学院领导的研究人员开发了一种新型的、史无前例的贴纸，使临床医生能够通过简单的超声波设备监测患者器官和深层组织的健康状况。

当贴在器官上时，柔软的微小贴纸会随着身体pH值变化而改变形状，这可以作为手术后并发症(如吻合口渗漏)的早期预警信号。然后，临床医生可以通过超声成像实时查看这些形状变化。

目前，还没有任何现有方法能够可靠且非侵入性地检测吻合口漏，这是一种当胃肠道液体逸出消化系统时发生的危及生命的情况。通过以高灵敏度和高特异性揭示这些液体的渗漏，非侵入性贴纸可以比以前更早地进行干预。然后，当患者完全康复后，生物相容性、可生物吸收的贴纸就会消失，从而无需进行手术提取。

该研究将于3月8日发表在《科学》杂志上。该论文概述了对小型和大型动物模型的评估，以验证由水凝胶材料制成的三种不同类型的贴纸，这些贴纸能够检测胃、小肠和胰腺的吻合口渗漏。

“这些泄漏可能是由组织中的细微穿孔引起的，通常是手术切口两侧之间难以察觉的间隙，”西北大学的约翰·A·罗杰斯(JohnA.Rogers)说，他与博士后研究员刘佳琪一起领导了设备开发。

“这些类型的缺陷无法用超声成像工具直接看到。即使是最先进的CT和MRI扫描，它们也无法检测到。我们开发了一种工程方法和一套先进材料来解决患者监测中这一未满足的需求。该技术有潜力消除风险、降低成本并扩大快速、非侵入性评估的可及性，从而改善患者的治疗结果。”

“目前，还没有任何好的方法来检测此类渗漏，”胃肠外科医生ChetHammill博士说道，他与神经外科助理教授MatthewMacEwan博士一起在华盛顿大学领导了临床评估和动物模型研究。。“大多数腹部手术——当你必须移除某些东西并将其缝合在一起时——都有泄漏的风险。我们无法完全预防这些并发症，但也许我们可以更早发现它们以最大程度地减少伤害。即使我们能够提前24或48小时检测到泄漏，我们也可以在患者真正患病之前发现并发症。这项新技术有可能彻底改变我们术后监测患者的方式。”

作为生物电子学先驱，罗杰斯是材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的LouisSimpson和KimberlyQuerrey教授，并在麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院任职。他还领导奎里辛普森生物电子研究所。在进行这项研究时，哈米尔是华盛顿大学外科副教授。罗杰斯、哈米尔和麦克尤恩与北京清华大学副教授王鹤龄共同领导了这项研究。

早到的重要性

所有胃肠道手术都有吻合口瘘的风险。哈米尔表示，如果没有及早发现泄漏，患者有30%的机会在医院度过长达六个月的时间，并有20%的机会死亡。对于从胰腺手术中恢复的患者来说，风险甚至更高。Hammill说，令人震惊的是，40-60%的患者在胰腺相关手术后出现并发症。

最大的问题是无法预测谁会出现此类并发症。而且，当患者出现症状时，他们已经病得很严重了。

哈米尔说：“患者可能会出现一些与泄漏相关的模糊症状。”“但他们刚刚经历过大手术，所以很难知道症状是否异常。如果我们能及早发现它，那么我们就可以排出液体。如果我们晚点发现，患者可能会患上败血症并最终住进重症监护室。对于胰腺癌患者来说，他们的生命可能只有六个月。现在，他们一半的时间都在医院度过。”

为了改善患者的治疗效果，哈米尔联系了罗杰斯，他的实验室专门开发工程解决方案来应对健康挑战。罗杰斯的团队已经开发出一套可生物吸收的电子设备作为临时植入物，包括溶解起搏器、神经刺激器和植入式止痛药。

生物可吸收系统引起了哈米尔的兴趣。发生吻合口瘘的可能性最大发生在手术后三天或两周。

“我们喜欢在大约30天的时间内监测患者的并发症，”哈米尔说。“拥有一个可以使用一个月然后消失的设备听起来很理想。”

增强超声波

罗杰斯推测，他的团队可能能够增强当前的成像方法，而不是开发新的成像系统——让他们“看到”原本看不见的特征。超声技术已经具有许多优点：它价格便宜、容易获得、不需要笨重的设备并且不会使患者暴露在辐射或其他风险下。

但是，当然，有一个主要缺点。超声波技术利用声波来确定器官的位置、形状和结构，但无法可靠地区分各种体液。例如，血液和胃液看起来是一样的。

“泄漏液体的声学特性与自然产生的生物液体和周围组织的声学特性非常相似，”罗杰斯说。“然而，临床需求要求化学特异性，超出了在超声图像中产生对比度的基本机制的范围。”

最终，罗杰斯的团队设计了一种方法来克服这一限制，即使用可通过超声波成像读取的微型传感器设备。具体来说，他们用一种灵活的、化学反应性的软水凝胶材料制作了一种小型的组织粘合贴纸。然后，他们将微小的、薄如纸的金属盘嵌入到这种水凝胶的薄层中。当贴纸遇到泄漏的液体时，它会膨胀。

让不可见的变得可见

当水凝胶响应pH值变化而膨胀时，金属盘会分开。然后超声波可以观察这些位置的细微变化。

观察设备随pH值的变化而膨胀

观察设备随pH值的变化而膨胀

“由于金属盘的声学特性与周围组织的声学特性有很大不同，因此它们在超声图像中提供了非常强烈的对比度，”罗杰斯说。“通过这种方式，我们基本上可以‘标记’一个器官来进行监测。”

由于只有在术后恢复期间才需要进行监测，罗杰斯团队用生物可吸收材料设计了这些贴纸。当不再需要它们时，它们就会在体内自然无害地消失。

计算合作者YonggangHuang(Jan和MarciaAchenbach机械工程教授兼麦考密克大学土木与环境工程教授)使用声学和机械模拟技术来帮助指导材料和设备布局的优化选择，以确保超声图像的高可视性，即使是贴纸位于身体深处。

“CT和MRI扫描只是拍照，”哈米尔补充道。“液体可能会出现在CT图像中，但手术后总会有液体积聚。我们不知道这实际上是泄漏还是正常的腹液。我们从新补丁中获得的信息非常非常有价值。如果我们能看到pH值发生变化，那么我们就知道出了问题。”

罗杰斯团队制作了不同尺寸的贴纸。最大的直径为12毫米，最小的直径仅为4毫米。考虑到每个金属盘的尺寸为1毫米或更小，罗杰斯意识到放射科医生可能很难手动评估图像。为了克服这一挑战，他的团队还开发了可以自动分析图像的软件，以高精度检测磁盘的任何相对运动。

提高生活质量

为了评估新贴纸的功效，哈米尔的团队在小型和大型动物模型中进行了测试。在研究中，超声成像始终能够检测到变形贴纸的变化——即使它在组织内部10厘米深处。当接触到pH值异常高或低的液体时，贴纸会在几分钟内改变形状。

罗杰斯和哈米尔想象该装置可以在外科手术结束时植入。或者，由于该设备体积小且灵活，因此也可以安装(卷起)在注射器内，临床医生可以使用注射器将标签注射到体内。

“这些标签又小又薄又软，外科医生可以轻松地将它们收集在不同的位置，”罗杰斯说。“例如，如果切口延伸了几厘米长，则可以沿着该部位放置一系列标签，以绘制pH值图，从而精确定位泄漏位置。”

“这显然是一个早期的原型，但我可以想象最终的产品，在手术结束时，你只需放置这些小补丁进行监测，”哈米尔说。“它完成了它的工作，然后就完全消失了。这可能会极大地影响患者及其康复时间，并最终影响他们的生活质量。”

接下来，罗杰斯和他的团队正在探索类似的标签，可以检测内出血或温度变化。“检测pH值的变化是一个很好的起点，”罗杰斯说。“但是这个平台可以通过使用水凝胶扩展到其他类型的应用，水凝胶可以响应局部化学的其他变化，或者温度或临床相关的其他特性。”