超声波创新实现无痛疫苗接种，实时监测肌肉动态 – 物理世界

2023 年悉尼声学展 会议由美国声学学会和澳大利亚声学学会共同主办，来自世界各地的声学家、研究人员、音乐家和其他专家齐聚一堂，分享该领域的最新进展。所提出的几项研究描述了声学在医疗保健中的创新应用，包括使用声空化进行无针疫苗输送，以及在受伤恢复过程中跟踪肌肉动态的可穿戴超声换能器。

超声波可实现无痛疫苗接种

达西·邓恩-无法无天 来自牛津大学的 生物医学工程研究所 描述了使用超声波进行无针注射疫苗。

为了消除许多成年人和更多儿童对针头的恐惧，邓恩-劳利斯和同事正在利用一种称为空化的声学效应，在这种效应中，声波会导致气泡的形成和破裂。当这些气泡破裂时，它们会释放出集中的机械能。

这个想法是以三种方式利用这些能量爆发：清理死皮细胞外层的通道并允许疫苗分子通过；主动迫使疫苗分子进入体内；并打开体内的细胞膜。为了增强空化活性，研究人员采用了称为蛋白质空化核（PCaN）的纳米尺寸颗粒（本质上是杯形蛋白质颗粒）来支撑气泡。

在对小鼠的测试中，研究人员比较了标准皮内接种 DNA 疫苗与空化方法产生的免疫反应。对于基于空化的传递，他们将 PCaN 与 DNA 疫苗混合在放置在动物皮肤上的一个小室中，并暴露在超声波下两分钟。

他们发现，传统注射比空化方法输送的疫苗分子多几个数量级。 “然而，这就是事情变得有趣的地方，”邓恩-劳利斯在新闻发布会上解释道。 “当你观察这两种递送方法产生的免疫反应时，即抗体浓度，你可以看到空化组收到了明显更高的免疫反应，尽管他们接受的疫苗分子少得多。”

他指出，这是一个特别令人兴奋的结果，首先因为它证实了以这种方式提供疫苗是可能的。还因为它表明，无针技术理论上可以让身体用更少的疫苗实现更大的免疫反应，使疫苗接种更加高效。

这种效应的机制尚不清楚，但 Dunn-Lawless 认为这可能是由于空化活动打开了细胞膜并允许分子进入细胞。换句话说，虽然进入体内的分子较少，但进入体内的分子却进入了正确的位置。这对于 DNA 疫苗尤其有利，目前 DNA 疫苗很难输送，因为它们需要进入细胞内部才能发挥作用。

实时监测肌肉恢复情况

肌肉骨骼损伤的恢复可能是一个漫长而困难的过程。因此，跟踪患者在康复过程中的进展并慢慢重建肌肉力量非常重要。但在身体活动过程中直接测量肌肉功能并不容易，而且在患者运动时可以使用的医疗技术很少，这可能会阻碍治疗和康复。

一种选择是超声波检查，它可以提供皮下组织的非侵入性图像，并揭示不同肌肉群在动态身体活动期间如何移动和收缩。然而，传统的超声系统体积庞大且笨重，需要将患者拴在仪器上，因此不利于活动期间的实时成像。

So 帕拉格·奇特尼斯 乔治梅森大学的教授和同事决定从头开始建造自己的超声波设备。他们设计了一种紧凑的可穿戴超声系统，该系统可以与患者一起移动，并在身体活动期间产生有关肌肉功能的临床相关信息。

为此，研究人员开发了新的超声波技术，该技术依赖于低电压、长持续时间的线性调频脉冲的传输，而不是传统使用的非常高电压、短持续时间的脉冲序列。这使他们能够采用低成本的电子元件（例如汽车收音机中的电子元件）来设计更简单的便携式超声系统，该系统可以由电池供电并连接到患者身上。他们将这种新方法称为“SMART-US”，即通过实时超声进行同步肌肉骨骼评估。

研究小组测试了受试者在测力板上进行反向运动跳跃（一种评估下肢和膝关节健康和功能的常规练习）的方法，受试者的腿上装有超声波换能器。 SMART-US 设备提供跳跃过程中肌肉激活和功能水平的实时反馈，力数据和超声波测量之间存在显着相关性。奇特尼斯补充说，该技术还可用于同时检查多个不同的肌肉。

可穿戴超声传感器提供连续心脏成像

“基于超声波的生物反馈可以帮助个性化治疗和康复，以改善治疗结果，”他在新闻发布会上解释道。 “我们设想的技术的其他应用包括个人健身、运动训练和运动医学、军事健康、中风康复以及评估老年人跌倒的风险。”

下一个目标是技术转让，使该设备通过 FDA 审批，以便团队能够进行康复临床研究。展望未来，Chitnis 预计诊所只需花费数百美元即可购买基本级系统。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/ultrasound-innovations-enable-pain-free-vaccination-monitor-muscle-dynamics-in-real-time/