高频超声弹性成像系统实现亚毫米级薄层生物材料力学特性的非侵入式精准测量

为解决薄层生物材料力学特性测量难题，研究人员开发了一种基于15 MHz声辐射力(ARF)激发和40 MHz超声跟踪的高频超声弹性成像(USE)系统。该研究通过精确控制ARF脉冲持续时间(500 μs)和高时空分辨率成像(～100 μm, 25 kHz)，成功测得1%-5%琼脂-二氧化硅弹性体及油-琼脂粘弹性体的剪切模量，与流变仪测量结果高度一致(p>0.05)。创新性结合实验与计算机模拟揭示了ARF持续时间与材料特性对剪切波频率的非线性影响，为器官芯片和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对器官芯片、工程化组织等前沿研究至关重要。然而现有超声弹性成像(USE)技术面临两大瓶颈：一是传统声辐射力(ARF)激发方式难以在亚毫米级样品中产生可检测的横向弹性波；二是低频USE系统时空分辨率不足，无法捕捉微米尺度下弹性波的传播动态。这些限制严重阻碍了USE技术在微组织力学特性动态监测中的应用。

为突破这些技术壁垒，Sunnybrook研究所（Sunnybrook Research Institute）的研究团队创新开发了高频USE系统，通过聚焦式15 MHz ARF激发与40 MHz宽带超声跟踪的协同作用，首次实现了对≤2 mm薄层生物材料弹性特性的非侵入式精准测量。相关成果发表在《Ultrasound in Medicine》上，为微组织力学研究提供了全新解决方案。

研究采用三大关键技术：① 定制化f/1聚焦15 MHz ARF换能器，产生9 MPa峰值压力；② f/3的40 MHz成像换能器实现110 μm空间分辨率；③ 500 μs短时ARF脉冲配合25 kHz高重复频率采集。通过水耦合的聚苯乙烯培养皿体系，对琼脂-二氧化硅弹性体(1%-5%)和油-琼脂粘弹性体(0%-10%蓖麻油)进行声学特性与剪切模量测量，并与流变仪结果交叉验证。

【声学与机械特性评估】
在弹性琼脂-二氧化硅模型中，5%琼脂浓度使40 MHz声衰减显著增加64%(p<0.001)，剪切模量达117.0±12.3 kPa，与流变仪114.4±7.2 kPa无统计学差异(p=0.777)。粘弹性油-琼脂体系显示，10%油浓度使声衰减显著提升但剪切模量降至77.0±22.1 kPa，与流变仪75.8±5.3 kPa高度吻合(p=0.938)。

【计算机模型验证】
有限元模拟(FEM)重现实验条件时，预设10 kPa与120 kPa剪切模量的模拟误差≤3%。关键发现表明：剪切波基频与ARF持续时间呈1/(2D_ARF)关系，长时ARF(>300 μs)对弹性模量变化更敏感，而短时ARF(<200 μs)对粘度变化响应更显著。

这项研究的意义在于：① 首次建立亚毫米级薄层生物材料USE测量标准，时空分辨率达100 μm/40 μs；② 揭示ARF持续时间与材料特性的非线性耦合规律，为粘弹性测量参数选择提供理论依据；③ 开发的f/1-f/3双换能器系统可集成至器官芯片平台，实现工程化组织力学特性的长期动态监测。未来通过增加带阻滤波器或双频换能器设计，有望进一步拓展至频率域粘弹性分析，推动USE在再生医学和药物筛选中的应用。