黑科技：用于癌症诊断的医用针

诊断癌症等疾病几乎总是需要活组织检查——临床医生从身体上取下一块可疑组织进行检查，通常是在显微镜下进行。诊断医学的许多领域，尤其是癌症管理，都看到了技术的巨大进步，基因测序、分子生物学和人工智能都在迅速提高医生找出病人病因的能力。然而，在过去的150年里，医用针头的技术并没有发生巨大的变化，在癌症治疗的背景下，针头正在努力为新的诊断技术提供足够的组织样本。现在，研究人员已经表明，将活组织检查针修改为每秒3万次的快速振动，不仅可以为21世纪的诊断需求提供足够的数据，而且可能会减少患者的痛苦和创伤。

阿尔托大学神经科学和生物医学工程系的海基·涅米宁教授说:“活检的产出——抽取的组织数量——通常是不够的，一些研究表明，多达三分之一的细针活检很难获得足够的组织来进行可靠的诊断。”“活检可能是痛苦的，而等待诊断测试结果对病人和家人来说可能是非常痛苦的一段时间，特别是在诊断需要再次活检才能确定的情况下。我们想让这个过程对病人来说更加温和，增加测试的确定性，让我们在第一次尝试时就能得到答案。”Nieminen教授访问加拿大多伦多大学，与肯尼斯·普利兹克教授合作，普利兹克教授是多伦多西奈山医院的病理学家，也是多伦多医学院的大学研究员。有一天，当他们吃午饭的时候，普利兹克建议说，也许可以通过超声波来解决这个问题。

最不痛苦的活组织检查方法之一被称为“细针活组织检查”，它使用的针与许多其他医疗程序相同的厚度。然而，对于更先进的诊断治疗——比如用于癌症的那些——单独使用细针并不能常规地获得足够的材料，所以目前的做法通常是使用更粗的针，称为核心针。普利兹克说:“它们会让病人感到痛苦，还会导致出血——除非万不得已，否则你不会想要使用核心针。”“在体温下，人体组织以某种介于固体和液体之间的形式存在。这里的突破是，通过使针尖超声振动，我们能够使组织像液体一样流动，这使我们可以通过一个狭窄的针提取更多的它。”

感觉像普通的针

在发表在《科学报告》杂志上的一篇新论文中，该团队与更广泛的世界分享了这些超声波振动针的工作原理。“振动为组织提供能量，使其更像液体，”论文的第一作者，在阿尔托大学Nieminen团队工作的Emanuele perra解释道。“振动只局限于针尖，所以它不会影响到任何其他组织，除了针头周围的一小部分。”我们能够证明，与没有超声波的同一针相比，超声振动可以将活检率提高3到6倍，这甚至超过了我们的预期。”这种振动远远超出人类的听觉范围，而且波的振幅非常小，与正常的血液测试没有太大不同。

活检中提取的组织数量的大幅增加意味着它对于高科技癌症治疗的发展趋势非常有用。分子诊断就是这样一个例子，它检查肿瘤的化学组成，使医生能够更有效地针对特定的癌症类型进行治疗。普利兹克解释说:“分子诊断是一个昂贵的过程，如果失败了，那就是一种昂贵的金钱浪费，因为活检收集的材料质量不够好。”

为针提供动力的技术是非线性声学，通过一种材料的振动振幅非常大，以至于会与材料本身发生相互作用。这些相互作用使针的设计者把所有的能量集中到针的尖端，并测量它们的效果。“我们已经能够很好地描述针头末端的振动。我们已经使用高速摄像机，使我们能够研究振动针对流体、固体和空气之间边界的物理影响，这是前所未有的细节，”Nieminen说。“我们对物理学的丰富了解，使我们能够设计医疗设备，并了解如何将其用于不同的医疗目的。”

医学试验正在进行中

这种针头预计很快将用于真正的癌症患者的研究，尽管目前还仅限于四条腿的患者。加拿大一家兽医专科医院很快将在患有癌症的家养宠物身上试验这种装置，如果一切都如预期的那样，研究小组希望他们的针不久就能在人类病人身上使用。

“现代肿瘤学不只是在治疗开始时进行活检，”Nieminen解释说。“肿瘤学家越来越希望能够进行多次活组织检查，以追踪肿瘤在治疗过程中的变化和反应。我们希望用于这些活检的工具尽可能有效和无痛。”

该团队正在为现实世界的活组织检查做准备，同时也对他们仍在研究的未来应用感到兴奋。perra解释说:“超声波振动对组织的作用也可能是相反的。超声波振动可以使药物更容易地以有针对性的方式输送到肝脏等组织。”它们还可以分解软组织中的小硬物体，比如肾结石，甚至是小肿瘤——所有这些都是微创性的。”通过将声学物理学专家和医疗技术专家结合起来，该团队希望在21世纪对简陋的医疗针进行升级后，会出现更多的创新。

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DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-87303-x