综述：新兴超声生物电子用于个性化医疗

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一、背景介绍

健康医疗一直在向更专业化和个性化方向发展，以满足患者的个性化需求。能够由病人操作并监测其自身健康状况的医疗电子设备或平台的出现，正在彻底改变医疗领域，在其中，一个或多个组织或器官可以被连续和精确地询问。其中，超声生物电子（UBE）引起了极大的兴趣，它使操作者能够容易评估这些组织和器官，并在零辐射、合理的成本、足够的穿透深度和高空间分辨率优势下诊断各种疾病。然而，传统的医疗超声（US）系统笨重、设备固定且功能单一，导致操作的长时间消耗且无法提供及时的服务，尤其是在紧急情况下。相比之下，新兴的UBE以可穿戴、可植入或高度集成的平台形式出现，具有高分辨率、高灵敏度和便携性，可对不同器官进行长期连续成像，实时检测病理异常，并及时提供一系列声功率治疗，远远优于传统超声设备的医疗工作流程。因此，实时、长期准确跟踪异常水平是生理健康监测的趋势，以实现早期检测和治疗，实现互通反馈，达到保持健康的生活方式。

当前，材料设计、制造工艺、无线功率技术、数字通信和算法等方面的进步正在加速融合，为实现这些新兴的UBE作为未来成熟的医疗物联网（IoMT）系统的关键部件创造了前所未有的机会。然而，随着医疗超声技术的快速发展，仍然缺乏对这些新兴UBE的全面概述，特别是从解决材料和器件构造配置的工程挑战到目标功能应用案例。因此，在这篇综述中，我们及时总结了最先进的用于生物诊断、监测和治疗的UBE的最新进展，重点介绍了实现这些新兴UBE的机械顺应性、小型化、生物可降解性和功能集成性的理论可行性及工程方法。我们还强调了一系列可穿戴和植入形式的UBE应用实例，以促进个性化医疗。最后，讨论了改进此类设备的未来研究趋势，并概述了进一步临床转化应用的前景。

该综述论文以“Emerging Ultrasonic Bioelectronics for Personalized Healthcare”为题，发表在材料科学顶级期刊Progress in Materials Science上（影响因子: 48.165）（https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101110）。四川大学吴家刚教授为该综述通讯作者，蒋来明副研究员为该论文第一作者兼共同通讯作者。

二、图文导读

图1 示意图强调了新兴UBE在个性化医疗方面的最新进展。左边的箭头描述了新兴UBE设计，包括柔性的、可拉伸的、小型化的、透明的结构等，形成一种可穿戴的、可植入的和多功能集成的新型US设备。底部的箭头描述了新兴UBE的各种生物诊断、监测和治疗的功能应用。

图2 涉及到新兴UBE的材料工程和设备结构设计。在过去的十年中，新兴UBE的发展经历了快速的进步，并作为未来最先进的个性化医疗的技术基础之一。为了实现这些目标，涉及两个基本策略：材料工程和设备结构设计，它们关键性地决定了UBE的基本性能和设备适应性。材料工程和器件结构设计之间的协同效应是非常强大的，在一系列的应用中发挥了重要作用。

图3 代表性柔性结构设计的UBE。为了实现方便、舒适的医疗，已经开发了用于诊断和治疗的柔性和可穿戴/可植入UBE。柔性设备要求能够承受高的机械变形，同时保持良好的电学性能，这就要求理想的材料具有良好的柔韧性和其他突出的物理和化学性能。将这些柔性技术应用于具有软机械性能的可穿戴/可植入UBE，可以使设备适应一系列人体器官的表面，如眼球、大脑和心脏，改善设备与人体组织之间的机械耦合，从而提高声传输的效率。

图4 新兴UBE用于生物监测和治疗的讨论。新兴UBE被用于各种基于超声成像和超声供电和通信的生物监测和治疗应用。对于超声成像来说，由于采用了可穿戴的形式，连续监测是可行的，但仍然限于数天内，而且图像处理是在复杂的成像系统的帮助下完成的。未来的发展将着眼于更长的监测时间和构建便携式平台，例如，它可以在手机上实时使用。另一个挑战在于监测深度和分辨率之间的权衡。与光学成像方式的结合弥补了彼此的缺点，以提供更准确的医疗指导。然而，深层组织的高分辨率成像仍有待于用高频超声设备进行。例如，可以用二维高频阵列探头实现三维高清晰成像。对于最先进的超声供能和通信技术，已经满足了一些常见的生物电子要求，实现了连续的诊断和治疗应用。未来将继续考虑改进传输效率和整合额外功能以扩大其实用性。此外，将继续探索把这种超声波成像和超声波功率和通信技术有效地纳入一体机系统，以便同时进行监测、诊断和治疗。

三、作者简介

吴家刚，教授，博士生导师，四川大学材料科学与工程学院副院长，国家优秀青年科学基金获得者，牛顿高级学者基金获得者，全国宝钢优秀教师，四川大学材料科学与工程国家级实验教学示范中心副主任。连续四年入选Elsevier中国高被引学者，应邀担任ACS Applied Materials & Interfaces副主编和International Journal of Applied Ceramic Technology副主编，同时担任InfoMat、硅酸盐学报、工程科学与技术等杂志编委或青年编委。主要研究方向为高性能无铅压电陶瓷及器件研制。作为第一作者或（共同）通讯作者已发表SCI收录论文200余篇，代表性期刊包括Chem Rev（2篇）、Prog Mater Sci（3篇）、Chem Soc Rev、Nature Commun（2篇）、J Am Chem Soc（4篇）、Adv Mater（2篇）、Energy Environ Sci等，被国内外同行在Science等SCI收录论文中他引10000余次，10篇文章入选ESI高被引论文，单篇最高SCI引用1000余次。受Springer Nature国际著名出版社邀请，独著出版全英文专著一本（Advances in Lead‐Free Piezoelectric Materials. New York: Springer; 2018）。

蒋来明，副研究员，2019年毕业于四川大学材料学院，博士期间受国家留学基金委（CSC）资助到美国南加州大学进行为期两年（2017.10-2019.09）的联合培养，博士毕业后继续在美国南加州大学进行近两年（2020.02-2021.10）的博士后研究，自2021年11月作为四川大学引进人才入校工作。主要研究方向为高性能压电/铁电材料及器件的研发。至今以第一作者或通讯作者（含共同）发表SCI收录论文30余篇，包括Prog Mater Sci.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.（2篇）、Light Sci. Appl.、Nano Energy（4篇）、Mater. Horiz.等；同时有合作研究发表在Science、Nature Photonics等。h-index为20（Web of Science）。主持国家自然科学基金青年科学基金项目一项。

文章连接：Emerging Ultrasonic Bioelectronics for Personalized Healthcare，https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101110

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