综述：优化细胞流动：用于体内流式细胞术的声驱动细胞排列的可行性

《Sensors and Actuators A: Physical》：Streamlining the cell flow: Feasibility of acoustically driven cell alignment for in vivo flow cytometry

本研究提出一种基于声学干涉的双超声换能器系统（DUST），通过生成周期性压力节点和腹点场对流动细胞进行多平行流线对齐，显著提升活体流式细胞术检测稀有细胞（如CTC）的信噪比达9倍，并增强信号稳定性。实验通过血管仿真 phantom 验证了声场形成和细胞对齐效果，为活体单细胞精准诊断提供新方法。

　　在医学研究和临床诊断领域，流式细胞术（Flow Cytometry, FCM）作为一种强大的分析技术，已经广泛应用于对细胞形态、功能及蛋白表达的快速量化。传统流式细胞术通常依赖于体外实验环境，通过使用鞘液实现细胞的单列排列，从而确保细胞在激光照射下能够被准确检测。然而，这种体外方法存在一定的局限性，特别是在长期跟踪细胞动态变化或实时监测方面。此外，由于血液采集的间歇性和不连续性，很难全面反映某些稀有细胞（如循环肿瘤细胞，CTCs）的真实存在状态，这在一定程度上增加了诊断的不确定性。

为了克服这些挑战，研究人员提出了“体内流式细胞术”（In vivo Flow Cytometry, IVFC）的概念，即将血液和淋巴管作为自然的细胞输送通道，实现对循环细胞的实时监测。这一方法避免了传统体外流式细胞术所需的细胞提取过程，从而减少了对细胞内在属性的干扰。同时，IVFC能够在不中断血液流动的情况下，对细胞进行连续分析，为疾病诊断提供了更全面的信息。然而，现有的IVFC系统主要应用于浅表血管，如小鼠耳部和尾部的血管，这些血管直径较小、血流速度较慢，导致每单位时间可分析的细胞数量有限。此外，某些稀有细胞可能并不经过这些浅表血管，从而限制了IVFC的应用范围。

为了解决上述问题，研究团队提出了一种基于声学的新型细胞对齐策略，该策略能够扩展IVFC的应用范围，使其适用于更广泛的血管位置。通过设计一种双超声换能器（Dual Ultrasound Transducer, DUST）系统，两个换能器被放置在相同的侧面上，并以相同的角度对准，形成一个重叠的声学场。这种声学场包含周期性排列的压力节点和反节点，能够有效地引导流动的细胞进入多个平行的流线，从而集中其运动轨迹，提高信号检测的一致性和效率。实验结果表明，DUST能够在模拟血管的环境中稳定地引导微珠沿多个平行流线移动，同时保持均匀的流速。对于稀有细胞模拟的荧光微珠，DUST的应用显著提高了信号与噪声比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），减少了位置变化和背景干扰，使得信号分析更加稳定和可靠。

这项研究的创新点在于，通过声学方法实现了体内环境下对细胞的对齐和控制，从而克服了传统IVFC在深层血管应用中的技术瓶颈。在体外实验中，通常采用机械、光学、电场或磁场梯度等手段对细胞进行操控和聚焦，以减少信号重叠和提高分析精度。然而，这些方法在体内应用时面临诸多挑战，例如生物组织的复杂性和灵活性，使得换能器的精确对齐变得困难。相比之下，DUST系统通过巧妙的结构设计，克服了这些障碍，实现了在体内血管中的稳定声学场生成。

在模拟实验中，研究人员构建了一个模拟血管环境的模型，其中包括直径约为7微米的聚苯乙烯微珠（类似于红细胞）和15微米的荧光微珠（类似于CTCs）。通过使用DUST系统，实验成功地实现了对微珠的对齐，并验证了其在体内条件下的可行性。数值模拟进一步表明，DUST系统能够在模拟血流条件下生成具有特定分布模式的声学场，使得细胞在流动过程中能够被精确控制。这些结果不仅验证了DUST系统的有效性，也为未来体内细胞分析提供了新的思路。

从应用前景来看，DUST系统具有显著的优势。它不仅可以提高IVFC的分析效率和诊断灵敏度，还能够与光电或荧光检测系统无缝集成，为多模态单细胞分析提供技术支持。在临床应用中，这种技术可以用于实时监测血液中的细胞变化，为疾病诊断和治疗提供更准确的信息。此外，由于DUST系统能够在不中断血流的情况下进行细胞对齐，因此适用于需要长时间观察的场景，如慢性疾病的监测或肿瘤治疗后的跟踪。

在实验设计方面，研究团队采用了多种方法进行验证。首先，通过有限元模拟（FEM）对DUST系统生成的声学场进行了详细分析，模拟结果显示了声学场在不同深度下的分布情况。这些数据为理解DUST系统的工作原理提供了理论依据。其次，通过COMSOL软件对血液细胞在血管中的运动进行了数值模拟，进一步验证了声学场对细胞运动的控制能力。这些模拟结果表明，DUST系统能够在模拟的血流条件下，实现对细胞的高效对齐和引导。

在实际应用中，DUST系统需要克服多个技术挑战。例如，生物组织的结构复杂性可能会影响声波的传播路径，从而影响声学场的稳定性。此外，人体组织的灵活性和运动性也对换能器的对齐提出了更高的要求。为了解决这些问题，研究团队在实验中采用了精确的对齐方法，并通过多次实验验证了DUST系统的可靠性。实验结果表明，DUST系统能够在模拟血管的环境中稳定运行，实现对细胞的高效对齐和引导。

从研究团队的角度来看，这项工作不仅涉及技术的创新，还体现了跨学科合作的重要性。研究人员来自电气工程与计算机科学领域，结合了声学、生物医学工程和计算机模拟等多方面的知识，共同完成了DUST系统的开发和实验验证。这种多学科交叉的研究方法为解决复杂问题提供了新的视角，也推动了体内细胞分析技术的发展。

在研究方法上，DUST系统的设计和实现充分考虑了实际应用中的各种因素。例如，换能器的尺寸、频率和位置都被精心选择，以确保声学场的有效生成。此外，实验环境的构建也考虑了模拟血管的物理特性，如血流速度和血管直径，以提高实验结果的准确性。这些细节的处理体现了研究人员对技术可行性的深入思考和严谨的态度。

从研究结果来看，DUST系统在实验中表现出良好的性能。无论是对微珠的对齐，还是对荧光微珠的信号增强，实验数据都支持DUST系统的有效性。此外，实验还表明，DUST系统能够在不中断血流的情况下，实现对细胞的稳定引导，这为未来体内细胞分析提供了重要的技术基础。这些成果不仅有助于提高IVFC的诊断能力，也为其他相关技术的发展提供了参考。

从应用推广的角度来看，DUST系统具有广泛的应用前景。它不仅可以用于基础医学研究，还可以应用于临床诊断和治疗监测。例如，在癌症治疗中，DUST系统可以用于实时监测循环肿瘤细胞的数量和分布，为治疗效果评估提供依据。此外，在心血管疾病研究中，DUST系统可以用于监测血液中的异常细胞，为疾病的早期诊断提供支持。这些应用场景的拓展表明，DUST系统具有重要的实用价值。

从研究团队的背景来看，Jinwoo Kim等人来自韩国的Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology（DGIST），他们在生物医学工程和电气工程领域有着丰富的研究经验。Jin Ho Chang和Hyeon Sang Bark等人则在实验设计和数据分析方面发挥了重要作用，为研究的顺利进行提供了保障。Haemin Kim作为项目的主要负责人，不仅负责整体设计和实验验证，还推动了技术的进一步发展。Jae Gwang Kwon则在实验环境的构建和数据分析方面做出了重要贡献。

从研究的理论基础来看，DUST系统的设计基于声学原理，通过两个换能器的协同作用，生成一个稳定的声学场。这一声学场能够对流动的细胞进行有效的引导，使其进入多个平行的流线，从而提高信号检测的效率。此外，声学场的周期性排列使得细胞在流动过程中能够被更精确地控制，减少了信号重叠和背景干扰，提高了分析的准确性。

从研究的实际意义来看，DUST系统为体内细胞分析提供了一种新的解决方案。它不仅克服了传统IVFC在深层血管应用中的技术瓶颈，还提高了分析的效率和诊断的准确性。这些成果对于推动体内细胞分析技术的发展具有重要意义，也为未来的多模态细胞分析提供了技术支持。

从研究的未来展望来看，DUST系统还有很大的发展空间。随着技术的不断进步，未来可能会进一步优化换能器的设计，提高声学场的稳定性。此外，还可以结合其他检测技术，如光电或荧光检测，实现更全面的细胞分析。这些技术的结合将有助于提高诊断的准确性和可靠性，为医学研究和临床应用提供更强大的工具。

综上所述，这项研究通过提出一种基于声学的新型细胞对齐策略，为体内流式细胞术的应用提供了重要的技术支持。DUST系统能够在模拟血管的环境中稳定运行，实现对细胞的高效对齐和引导，从而提高信号检测的效率和准确性。这些成果不仅为体内细胞分析技术的发展奠定了基础，也为未来的多模态细胞分析提供了新的思路。研究团队的跨学科合作和严谨的研究方法，使得DUST系统在实际应用中表现出良好的性能，具有重要的科学价值和应用前景。