Réseaux ultrasoniques extensibles pour les trois

Nature Biomedical Engineering (2023)Citer cet article

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L'évaluation en série des propriétés biomécaniques des tissus peut être utilisée pour faciliter la détection précoce et la gestion des conditions physiopathologiques, pour suivre l'évolution des lésions et pour évaluer les progrès de la rééducation. Cependant, les méthodes actuelles sont invasives, ne peuvent être utilisées que pour des mesures à court terme ou ont une profondeur de pénétration ou une résolution spatiale insuffisante. Nous décrivons ici un réseau ultrasonique extensible pour effectuer des mesures élastographiques non invasives en série de tissus jusqu'à 4 cm sous la peau à une résolution spatiale de 0,5 mm. Le réseau s'adapte à la peau humaine et s'y couple acoustiquement, permettant une imagerie élastographique précise, que nous avons validée par élastographie par résonance magnétique. Nous avons utilisé l'appareil pour cartographier les distributions tridimensionnelles du module d'Young des tissus ex vivo, pour détecter les dommages microstructuraux dans les muscles des volontaires avant l'apparition des douleurs et pour surveiller le processus de récupération dynamique des blessures musculaires au cours des physiothérapies. La technologie peut faciliter le diagnostic et le traitement des maladies affectant la biomécanique des tissus.

Les propriétés mécaniques des tissus humains sont vitales pour la structure et le fonctionnement des systèmes physiologiques humains1. Des caractérisations mécaniques fréquentes de divers organes permettent une évaluation rapide de la croissance des tissus, de l'état métabolique, de la fonction immunologique et de la régulation hormonale1,2,3. Plus important encore, les propriétés mécaniques des tissus malades peuvent souvent refléter des conditions physiopathologiques. La surveillance de ces propriétés peut fournir des informations clés sur la progression de la maladie et guider une intervention en temps opportun4,5. Par exemple, on sait que la rigidité des tumeurs est différente de celle des tissus sains6. De plus, dans certaines tumeurs, des changements de rigidité peuvent survenir à mesure qu'elles se développent à certains stades de développement7, et ces changements peuvent survenir rapidement (Fig. 1a supplémentaire et note complémentaire 1)5,8,9,10,11,12. Des inspections fréquentes de la rigidité de ces tumeurs sont nécessaires pour évaluer le stade de croissance et guider le traitement13. La caractérisation mécanique est également essentielle au diagnostic et à la réadaptation de nombreuses maladies et blessures musculo-squelettiques. La surveillance des modules musculaires permet un dépistage plus proactif de la zone à risque (Fig. 1b supplémentaire)14,15,16,17,18,19,20,21,22. Il a également été démontré que la surveillance des modules tissulaires contribue à la détection précoce et au suivi des maladies cardiovasculaires23,24. Une technologie idéale devrait fournir une cartographie non invasive et tridimensionnelle (3D) des tissus profonds avec une localisation, une morphologie et des informations mécaniques précises25. Cependant, les méthodes existantes ne sont pas en mesure de répondre à ce besoin critique (Figures supplémentaires 2 à 5 et note complémentaire 2).

Dans cet article, pour combler cette lacune technologique, nous rapportons un réseau ultrasonique extensible doté de progrès en matière d’ingénierie des dispositifs et d’algorithmes d’imagerie (Note complémentaire 3). Grâce aux nouveaux protocoles de microfabrication, nous pouvons obtenir un excellent couplage électromécanique des transducteurs. La stratégie d'imagerie de composition cohérente permet des calculs de déplacement précis et améliore donc le rapport signal/bruit élastographique (SNRe) et le rapport contraste/bruit (CNRe) dans toute la fenêtre échographique26. En résolvant un problème d'élasticité inverse, nous pouvons dériver une distribution quantitative de module, ce qui constitue un bond en avant par rapport à la distribution qualitative de déformation obtenue avec l'élastographie quasi-statique conventionnelle (note complémentaire 4). Nous montrons la fiabilité de cette technologie en testant sur divers modèles de fantômes artificiels et spécimens biologiques ex vivo, avec validation quantitative par élastographie par résonance magnétique (MRE). Des études in vivo sur les douleurs musculaires d'apparition retardée montrent que cette technologie peut suivre la progression de la récupération d'une blessure musculaire de manière sérielle non invasive, fournissant ainsi des conseils thérapeutiques. Ces résultats suggèrent une approche pratique et efficace pour surveiller les propriétés mécaniques des tissus, facilitant ainsi le diagnostic et le traitement de nombreuses maladies et symptômes.