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2024

近红外光谱技术结合机械振动检测，助力生物力学和皮下诊断的快速绘图

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在现代医疗诊断领域，皮肤生物力学特性的评估一直是一个重要而富有挑战性的课题。皮肤作为人体最大的器官，其力学特性与多种疾病的发展和预后密切相关。例如，皮肤癌这一全球最常见的癌症类型之一，往往伴随着纤维化或角化过度，导致皮肤硬度发生显著变化。研究表明，常见肿瘤组织（如黑色素瘤或乳腺癌）的弹性模量可能是正常组织的2-10倍。同样，银屑病、水肿、瘢痕疙瘩、斑块硬化症和硬皮病等疾病也会引起皮肤细胞快速更替和生物力学特性改变。因此，快速准确地评估和监测皮肤生物力学特性对于这些疾病的早期诊断和治疗效果评估具有重要意义。

然而，目前临床上广泛使用的评估方法都存在明显局限性。超声成像和磁共振弹性成像虽然精确度高，但需要专业的医疗设备和场所，成本高昂且不便于日常监测。直接的生物压痕、真空变形、扭转和拉伸/压缩测量虽然有效，但往往需要进行活检，具有创伤性且患者体验差。此外，某些诊断方法需要数小时甚至数周才能得出结果，无法满足连续监测的需求。这些限制严重影响了皮肤疾病的早期筛查和及时干预。

据麦姆斯咨询报道，北卡罗来纳大学教堂山分校白武斌研究团队针对这些挑战，开发了一种创新性的主动近红外光谱贴片（ANIRP）系统。该系统通过将近红外光谱技术与机械振动检测相结合，实现了皮肤生物力学特性的快速、非侵入性测量。相关研究成果以“Near-infrared spectroscopy–enabled electromechanical systems for fast mapping of biomechanics and subcutaneous diagnosis”为题，发表在Science Advances期刊上。

该系统的核心组件包括偏心旋转质量（ERM）、致动器阵列和LED-光电二极管传感器。ERM致动器能够在皮肤表面产生可控的机械振动，而近红外传感器则通过捕捉这些振动信号来评估局部组织的力学特性。在技术实现方面，ANIRP系统展现出多项独特优势。首先，系统采用柔性印刷电路板设计，确保了与皮肤的良好贴合性。其次，通过优化LED-光电二极管传感器的设计，系统可以在无需紧密接触的情况下准确捕捉振动信号，显著提高了佩戴舒适度。此外，系统还实现了高空间传感密度（约1 cm²）和高空间灵敏度（小于1 mm），使得精确定位和监测成为可能。

研究团队通过一系列实验验证了系统的性能。使用不同配比的PDMS人工皮肤模型进行校准，证实系统可以准确区分不同硬度和深度的嵌入物。深度检测实验表明，系统能够探测2-9 mm深度的皮下组织变化，这个范围覆盖了大多数皮肤肿瘤的典型位置。在实际应用测试中，系统成功实现了肌肉收缩状态和皮肤弯曲程度的实时监测，响应时间少于1 s。