高频定量超声弹性成像技术用于薄层生物材料体外力学评估的创新研究

本研究针对现有超声弹性成像(USE)技术在亚毫米级薄层生物材料力学评估中的局限性，开发了配备15 MHz声辐射力(ARF)激发换能器和40 MHz宽带跟踪换能器的高频USE系统。通过弹性/粘弹性组织仿体实验验证，其剪切模量测量结果与流变仪高度一致（1%琼脂-二氧化硅仿体：8.8±2.2 kPa vs 8.0±0.4 kPa，p=0.573），结合计算模拟揭示了ARF持续时间与材料特性对剪切波频率的非线性影响，为工程化组织力学监测提供了新工具。

　　

在生物医学工程领域，精确测量薄层生物材料的力学特性一直是重大挑战。传统技术如原子力显微镜或纳米压痕虽能提供精确数据，但属于破坏性检测且无法实时监测。而临床常用的超声弹性成像(USE)技术又受限于空间分辨率不足（>1 mm）和接触式声辐射力(ARF)激发的局限，难以满足器官芯片、类器官等亚毫米级工程化组织的评估需求。

针对这一技术瓶颈，多伦多Sunnybrook研究所（Sunnybrook Research Institute）的科研团队在《Ultrasound in Medicine》发表创新成果。研究人员构建了双换能器高频USE系统：采用f/1聚焦的15 MHz ARF激发换能器产生高精度力学刺激，配合f/3的40 MHz宽带跟踪换能器实现微米级位移检测。通过琼脂-二氧化硅弹性仿体和蓖麻油-琼脂粘弹性仿体的对比实验，结合剪切流变仪验证，并采用Field II声场模拟和COMSOL多物理场建模进行机制解析。

关键技术包括：

1. 高频双换能器协同系统（15 MHz ARF激发/40 MHz跟踪）

2. 500μs短时ARF脉冲结合25 kHz高重复频率成像

3. 基于互相关算法的亚微米位移检测

4. 组织仿体声学参数（声速、衰减、阻抗）多模态测量

5. 有限元模拟分析剪切波频谱特性

【声学与力学特性表征】

通过1%与5%琼脂浓度仿体的对比，发现5%组声衰减显著增加64%（p<0.0001），剪切模量达117.0±12.3 kPa（vs流变仪114.4±7.2 kPa，p=0.777）。粘弹性仿体中，10%蓖麻油使声衰减显著提升（p<0.001），但剪切模量降低至77.0±22.1 kPa（vs流变仪75.8±5.3 kPa，p=0.938），证实系统对粘弹性变化的敏感性。

【计算模型验证】

有限元模拟显示剪切波频率与ARF持续时间呈1/(2D_ARF)关系，弹性模量在长ARF持续时间（>300μs）时对频率影响显著，而粘度在短持续时间（100μs）时更敏感。该发现为优化薄组织检测参数提供了理论依据。

这项研究突破了传统USE技术在薄层生物材料检测中的技术壁垒，其亚毫米级空间分辨率（100μm）和毫秒级时间分辨率为动态监测工程化组织力学演变提供了新工具。特别值得注意的是，系统测量的8-120 kPa剪切模量范围覆盖了从正常到纤维化心肌组织的病理变化区间，为器官芯片的药物评估开辟了新途径。计算模型揭示的ARF持续时间-材料特性-剪切波频谱非线性关系，更为后续粘弹性测量系统的开发奠定了理论基础。该成果标志着超声生物力学表征技术向微观化、定量化迈出了关键一步。