Science Advances | 用于生物组织无创和动态成像的可穿戴摩擦电阻抗断层扫描系统

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在活体内成像软组织对评估长期生理或病理状态，以及为患者量身定制临床管理和康复干预具有重大意义。目前，主流的非侵入成像技术（如磁共振成像MRI和计算机断层扫描CT）尽管在检测精度上具有优势，但在设备体积庞大、重量沉重、成本高昂和能耗过高等方面存在局限性。12月20日，北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员团队提出了一种基于摩擦电的阻抗断层成像（TIT）的可穿戴技术，可以利用用微安级别的检测电流实现人体软组织的成像检测。该研究成果以”A wearable triboelectric impedance tomography system for noninvasive and dynamic imaging of biological tissues“为题发表在Science Advances。

随着即时检测需求的不断增加，便携式、轻量化、可定制的可穿戴人体监测技术受到越来越多的关注。如针对心脏和乳腺的超声成像设备，以及对颅内出血敏感的磁感应断层成像技术。然而，这些设备仍面临诸多挑战，如介质耦合干预、皮肤应变引起的信号失真等问题。更重要的是，由于组织成分和生理状态的固有差异，仅通过一种可穿戴成像设备难以实现全面的综合检测。因此，基于多样化成像机制的可穿戴成像设备的研发非常必要。

图1 TIT系统的设计方案和系统组件概述

电阻抗断层成像（EIT）用于重建特定区域内电学特性的空间分布，也构成了生物医学成像的一个独特研究分支。尽管之前的研究已经验证了台式EIT仪器在人体器官监测中的可能性，但开发用于动态组织成像的可穿戴和便携式EIT设备仍面临若干基础性挑战，包括电流源内阻的频响特性、设备小型化引起的串扰以及寄生电容效应。更重要的是，为了在EIT中实现高质量成像，需要增强注入电流，但过度的电流刺激可能会对皮肤产生神经或肌肉损伤。因此，EIT的图像质量依赖于低噪声和高保真的硬件设计，其主要困难在于制备具有卓越负载适应性和信号质量的电流源。

图2 E-skin和HESS的设计方案和参数表征

得益于摩擦静电的超低电流输出和高度可控的转移电荷本质特性使得其能够催生出各种具有优异生物相容性的生物电子设备。在这种情况下，将静电能量与阻抗断层成像的成像算法相结合，可能为可穿戴断层成像系统开创一种独特的策略。

该研究设计了一种基于复合摩擦起电效应的高精度静电信号源（HESS），为该TIT系统提供具有卓越生物相容性的高质量探测电信号，同时可以使用远低于医疗设备安全标准的电流信号实现精细阻抗分析。

图3 TIT系统对上肢运动的图像重建以及TIT系统与医疗辅助外骨骼的集成

HESS的总谐波失真达到0.03%，电流变化率降至0.01%。这种信号质量在以往报道的摩擦电设备中从未实现。基于该TIT系统，完成了对人体肢体软组织的可穿戴时序成像。可以实现对肌肉运动和运动意图的动态观察，同时通过TIT设备获取的横截面图像，还能够区分深层组织中的微小异常病变，例如微骨折。凭借优异的生物相容性和轻量化设计，该TIT设备可与医疗辅助外骨骼或智能防护服集成，用于包括软组织运动学分析、深层病变监测甚至康复治疗等多样化的应用。