《Advanced Sensor Research》：Acoustic Sensing as a Tool for Brain Tumor Diagnostics
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本文系统探讨了表面声波（SAW）传感技术在脑肿瘤术中诊断中的应用潜力。研究通过离体实验证实，SAW技术能够基于组织刚度差异（如胶质母细胞瘤GBM、转移瘤等）精准区分非肿瘤脑组织与肿瘤组织，其声波衰减特征与磁共振弹性成像（MRE）、剪切波弹性成像（SWE）等传统技术高度一致。该技术具备实时、低成本、易集成等优势，有望为神经外科医生提供关键术中力学反馈，提升肿瘤切除精度并改善患者预后。
声学传感作为脑肿瘤诊断工具的研究进展
摘要
脑肿瘤手术中准确识别肿瘤边界仍是神经外科的重大挑战。肿瘤组织与健康脑组织在机械特性（如刚度和粘弹性）上常存在差异，然而现有成像方法在术中提供的实时力学反馈有限。本研究探索了基于表面声波（SAW）激励器的声学传感技术，依据声学特性区分非肿瘤脑组织、原发性脑肿瘤和转移性肿瘤。研究对离体组织样本进行测量，并分析了衰减与质量和刚度的函数关系。结果显示，非肿瘤组织表现出最高的声波衰减，转移性肿瘤居中，原发性肿瘤衰减最低，这反映了这些组织类型刚度的递增趋势。这些发现与磁共振弹性成像（MRE）和微压痕等技术先前报道的力学特性相符。基于声学/SAW的方法在通量、成本效益和与其他技术的集成性方面具有显著潜在优势。因此，本工作证明SAW传感能够可靠地敏感区分组织类型间的生物力学差异，支持其作为术中肿瘤检测的实时、非侵入性工具的潜力。
引言
中枢神经系统（CNS）恶性肿瘤构成重大的全球健康挑战。其位于大脑和脊髓的位置使其具有特别的破坏性，因为即使是非恶性肿瘤也可能破坏关键的神经功能，导致残疾和认知能力下降。手术切除仍然是预后的关键决定因素，更大范围的肿瘤切除与改善的生存率相关。然而，尽管神经外科和影像学取得了进步，复发率仍然很高。例如，胶质母细胞瘤（GBM）在一年内约有30%的患者出现局部复发，通常是由于手术期间未检测到的残留微观细胞所致。
准确区分肿瘤边界与健康组织仍然是一个重大挑战。传统的术中成像技术为神经外科医生提供了必要的指导，但其存在的局限性阻碍了精确肿瘤切除的完全实现。磁共振成像（MRI）提供高分辨率规划，但术中应用受到后勤障碍、脑移位以及需要专门的术中MRI套间的限制。其他依赖于术前成像的方法，随着手术中脑组织变形而变得越来越不准确。荧光引导手术增强了肿瘤可视化，但存在穿透浅和摄取可变的问题，导致假阴性。超声提供实时成像，但分辨率较差。这些方法主要提供结构或分子数据，忽略了生物力学特性，如刚度和粘弹性——这些特征在肿瘤和健康大脑之间通常存在显著差异。肿瘤组织通常由于异常细胞增殖和致密细胞外基质成分（如胶原蛋白）的沉积而表现出增加的刚度或刚性。外科医生经常依赖主观的触觉反馈，但这会因经验而异。这些改变源于细胞异常、炎症、组织损伤、水肿或异常蛋白质的积累。虽然通过多年实践发展的这项技能仍然至关重要，但它本质上是主观的，并且可能因外科医生的经验和肿瘤特征而异。
新兴研究强调了生物力学（如刚度和粘弹性）的诊断潜力。例如，GBM由于坏死区域和血管增殖而表现出异质性刚度，而脑膜瘤往往比周围组织更均匀地坚硬。认识到这些差异推动了测量组织刚度技术的发展，为神经外科医生提供了改善肿瘤划界的新工具。
磁共振弹性成像（MRE）作为一种非侵入性术前方法，在绘制脑组织刚度图方面显示出前景。Duhon等人（2024）证明MRE可以区分前庭神经鞘瘤和脑膜瘤，将较硬的肿瘤与更复杂的手术切除联系起来，肿瘤刚度与微环境变化（如增加的透明质酸和巨噬细胞浸润）相关。然而，MRE仅限于术前使用，缺乏实时术中反馈。剪切波弹性成像（SWE）提供实时刚度图，但受到解剖复杂性的阻碍，而微压痕提供高分辨率直接测量，但具有侵入性且范围有限。然而，SWE受到解剖复杂性和颅骨干扰的限制。相反，微压痕虽然是侵入性的，但允许进行高分辨率直接刚度测量，Skambath等人发现这与外科医生的触觉评估一致，但缺乏区分所有肿瘤类型所需的精度。计算模型通过绘制大脑各区域的刚度并将ECM改变与肿瘤刚性联系起来，进一步支持生物力学评估。Budday等人绘制了大脑各区域的刚度和粘弹性图，指出白质通常比灰质更硬。Kren等人强调了由于ECM改变导致的胶质母细胞瘤刚度增加，在肿瘤分类中实现了83%的敏感性和85%的精密度。类似地，Hinrichsen等人使用超弹性建模来捕捉区域特异性脑力学，有助于手术规划。这些研究共同强调了生物力学评估在脑肿瘤手术中的诊断价值。虽然MRE和SWE提供了有价值的刚度数据，但在实现一致的术中应用方面仍然存在挑战。因此，将生物力学见解与常规成像相结合，为改善肿瘤定位、指导切除和增强手术结果提供了一个引人注目的机会。
表面声波（SAW）传感有潜力在手术期间实现组织刚度的实时评估，SAW基方法先前已在高度敏感的化学、生物传感器和压力传感应用中证明了其实用性。除了传感，SAW还可以操纵生物系统，增强微尺度传输，在剪切应力下探测细胞粘附，并刺激伤口愈合中的定向细胞迁移。这些发现突出了SAW作为诊断和生物活性技术的双重作用，具有明确的转化潜力。SAW产生高频波，对与传感器接触的材料的刚度、密度和粘弹性高度敏感。这些相互作用导致波传播的变化，这些变化是材料机械特性的函数。这种敏感性使得SAW技术对于区分具有不同机械特征的生物组织具有潜在价值。几项研究已经证明了声学传感在捕获复杂机械行为方面的有效性，突出了SAW设备在检测材料粘弹性特性细微变化方面的多功能性。Wu等人证明了剪切水平SAW（SH-SAW）设备中插入损耗与波衰减之间的对数关系，直接将增加的细胞粘度与更大的阻尼效应联系起来。Ruland等人探索了材料特性（如溶胀比、厚度和模量）对水凝胶中波衰减的影响，确认了相对于材料刚度的声学响应中的线性和指数趋势。我们最近的工作也表明，质量负载导致波衰减线性增加，而材料刚度增加导致衰减指数减少。这些特性使得SAW技术非常适合区分具有不同机械特征的生物组织。
在本研究中，我们探索了SAW传感基于其机械特征区分原发性脑肿瘤、转移性肿瘤和非肿瘤脑组织的潜力。通过将衰减数据相对于对照进行归一化，我们能够将刚度效应与质量影响分离开来。结果显示原发性肿瘤表现出较低的衰减（较硬），转移瘤居中，健康组织衰减最高。这些发现与已建立的脑组织和肿瘤的生物力学特征一致，并证明了SAW技术作为实时诊断工具的潜力。通过提供即时刚度反馈，SAW可以补充成像，改善肿瘤划界，并提高手术精度和患者 outcomes。
方法与材料
实验工作流程的抽象概述如图所示。在神经外科手术中获得新鲜切除的脑组织，随后进行表面声波（SAW）传感以记录声学衰减信号。声学测量后，组织样本进行组织病理学分析，将其分类为非肿瘤性、原发性肿瘤或转移性肿瘤。然后将声学和病理学数据相结合，以确定衰减作为组织重量和病理学的函数，从而能够对健康和患病脑区域进行组织特异性机械分析。
声学传感器设计
本研究开发了瑞利模式SAW设备，用于GelMA水凝胶的非侵入性机械表征。该设备使用压电128° Y切铌酸锂（LiNbO3）晶片（20 mm × 15 mm × 0.5 mm）作为基底材料，选择该材料是因为其高耦合系数和产生能量集中在基底表面的面外波前位移。叉指换能器（IDT）使用标准光刻和电子束蒸发沉积Ti/Au/Ti层（厚度15/60/15 nm）在该材料上图案化，然后使用PECVD在250°C下施加200 nm SiO2钝化层。IDT设计为周期性λSAW= 200 μm，对应于19.85 MHz的瑞利模式SAW共振频率，18个指对，孔径为8 mm以优化波与材料的相互作用。延迟线设置为8 mm，确保足够的波传播同时最小化能量损失。SAW设备安装在定制PCB支架上，并连接到NanoVNA-H4网络分析仪，使用NanoVNA-Saver软件在15–25 MHz频率范围内记录S11反射损耗，用于数据采集和处理。传感器制造和校准的进一步描述见先前工作。
组织切除与准备
脑肿瘤样本于2024年7月从德国奥格斯堡大学医院神经外科接受神经外科手术的患者处获得，患者或其法定监护人根据当地伦理指南给予了知情书面同意。非肿瘤脑组织从2024年7月在德国奥格斯堡大学医院病理科进行的尸检中获取，确保了声学传感分析的多样化数据集。非肿瘤脑样本在官方死亡时间（心脏骤停）后12小时内收集，以保持机械特性的最小降解。肿瘤组织样本从接受神经外科手术的患者处获得，分类如下：
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原发性肿瘤：胶质母细胞瘤、星形细胞瘤、神经鞘瘤、神经母细胞瘤、脉络丛乳头状瘤、垂体腺瘤。
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转移性肿瘤：腺癌（未特指）、乳腺 carcinoma、卵巢癌、神经内分泌癌。
样本的具体位置和术中描述的质地特征在表中详细总结。一部分乳腺 carcinoma 组织保存在4%福尔马林中。组织保存对机械特性的潜在影响在分析中明确考虑并在下文讨论。所有其他肿瘤和健康脑组织在从患者或供体提取后立即冷冻至-80°C，未经固定或化学处理。
组织分析
声学分析：冷冻组织样本根据可用肿瘤材料的大小分成约30至100 mm3的小块。每个样本在分析前解冻并称重，以生成统计数据并确保每种肿瘤类型和非肿瘤脑区域的特定质量负载测量。实验装置如图所示，样本放置在SAW芯片中间两个IDT之间。所有组织样本都定位在叉指换能器之间，以确保与传播的表面声波一致地相互作用。样本放置在每个测量前进行视觉验证，并且所有实验应用相同的定位方案以最小化几何变异性。这种标准化方法确保观察到的衰减差异主要反映组织机械特性而非放置效应。
当波沿表面传播时，其部分能量被顶部材料吸收，导致反射S11和传输S21信号中可检测的波衰减，以及频率偏移。在我们的实验中，记录每个样本的声学传感、S11反射损耗和频率响应，以评估波衰减的变化。为了提供SAW设备的直接电气表征，使用网络分析仪在15–25 MHz频率范围内记录S11反射谱。代表性频率响应图如图所示。图显示了未加载的对照测量（无组织存在）以及三个不同重量的皮层组织样本。在约19.8 MHz处观察到明显的共振最小值，对应于设计的SAW波长200 μm。随着样本质量的增加，反射最小值的深度逐渐减小，表明声学衰减增加。值得注意的是，共振频率本身基本保持不变，这证实了质量负载主要影响信号幅度，而在此实验范围内未引起可测量的频率偏移。这验证了使用衰减深度作为主要传感参数，并支持图中量化的线性质量-衰减关系。图显示了来自三个不同患者的重量近似相等的组织样本的S11谱：非肿瘤皮层组织、室管膜瘤和腺癌。选择这些肿瘤类型是因为它们起源于皮层区域，能够直接比较质量相似但病理不同的样本的声学响应。该数据集突出了由组织特异性机械特性而非样本质量引起的衰减行为差异。
为了保持一致性并最小化测量伪影，在每个组织测量前后进行控制测试，包括初始基线测量（传感器上无材料），然后是样本测试，另一个控制测试，然后是第二个样本测试。这种交替的控制-样本-控制序列确保在数据分析中考虑任何环境或仪器漂移。测试之间，用酒精湿巾清洁SAW传感器芯片并彻底干燥，以防止生物残留物积聚并确保测量间的重现性。
组织学分析：声学测量后，收集组织样本并在-80°C下冷冻保存。样本解冻后，在4%福尔马林中固定至少六小时，然后包埋入石蜡以便于切片进行组织学分析。福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）样本切成2 μm薄片，并按照标准方案用苏木精和伊红（HE）染色。在光学显微镜下检查HE染色切片，以评估样本的代表性、组织形态学、结构完整性以及包埋过程产生的任何伪影。使用数字玻片扫描仪捕获代表性图像以供进一步评估。然而，明确的组织病理学诊断是基于为诊断目的获取的标本建立的。
数据分析与拟合方法
为了量化波衰减与组织刚度之间的关系，我们采用了一个数学框架，即质量负载理论上和实验上都会导致波衰减线性增加。这一原理由公式1描述，其中??是衰减系数，??是波频率，??p是相速度，??是每单位面积的质量负载。该方程建立了衰减对质量负载的直接线性依赖性，意味着较重的组织样本在SAW系统中引起更强的衰减效应。
为了解释这些质量依赖的变化，我们通过将所有衰减测量值除以基线（对照）测量值（传感器上无材料）进行归一化。这种归一化确保最大反射信号对应1（即无样本存在），为所有肿瘤和健康脑组织提供相对衰减尺度。对于每种组织类型，衰减（y轴）作为样本重量（x轴）的函数绘制。对每个数据集应用线性拟合，强制条件为零质量（x = 0）时，归一化反射应为1（y = 1）。结果如公式2所示，其中??代表衰减斜率，y截距??固定为1以保持与归一化对照的一致性。然后使用所有样本的平均重量计算每种组织的归一化衰减值，从而能够直接比较不同组织类型的衰减效应。这种方法消除了质量相关的偏差，并能够更清晰地评估每种肿瘤和非肿瘤脑区域的内在声学特性。类似的数学建模方法使用自回归方法已成功应用于生物组织的高分辨率声学研究，以提取声速和衰减值，即使在薄冰冻切片中也是如此。此外，我们的标准化拟合技术与先前强调声学参数在实时术中应用中潜力的研究一致。例如，声学反馈机制已被证明可以增强肿瘤边界识别，且与术中MRI相比基础设施需求更低。这些发现强化了我们方法对于手术指导的转化价值。
结果与讨论
进行了两项关键分析以评估脑肿瘤组织和健康脑区域的声学特性。第一个突出了组织重量与声学衰减之间的关系，展示了跨不同组织类型的质量负载对声学输出的影响。第二个利用该数据归一化并比较肿瘤和健康组织类型之间的声学衰减。
重量函数的声学衰减
在定量拟合之前，检查了SAW设备的原始电响应以直接可视化质量负载效应。图显示了未加载对照和三个重量递增的皮层样本的S11反射谱。在约19.8 MHz处观察到明显的共振最小值，对应于设计的SAW波长200 μm。随着组织质量的增加，反射最小值的深度逐渐减小，表明声学衰减增加。值得注意的是，共振频率本身基本保持不变，这证实了质量负载主要影响信号幅度，而在此实验范围内未引起可测量的频率偏移。这验证了使用衰减深度作为主要传感参数，并支持图中量化的线性质量-衰减关系。
图描绘了跨健康脑组织、原发性肿瘤和转移性肿瘤的归一化反射与组织重量之间的关系。跨所有组织类型，观察到重量与反射之间的线性关系，支持公式1中概述的理论框架，该框架预测增加的质量负载由于更大的声学衰减导致反射减少。这种趋势与先前研究生物组织中波传播的研究一致，其中质量负载效应显著贡献于能量耗散。表列出了个体组织类型的数据。
非肿瘤脑组织：尸检获取的非肿瘤脑组织（图a）表现出高衰减和较低反射，与其相对柔软、粘弹性的性质一致。小脑和皮层显示最陡的衰减斜率（分别为-8.462 ± 1.593 和 -7.698 ± 0.280），表明显著的波吸收。脑桥和延髓表现出中间斜率（分别为-8.285 ± 0.343 和 -5.360 ± 0.174），反映了它们更致密的白质组成，先前表明白质比灰质略硬。脊髓表现出最低的衰减（斜率：-3.181 ± 0.195），这与其较高的结构密度一致。这些发现与先前的机械研究一致，该研究报告大脑皮层的杨氏模量值在0.5–1.5 kPa（低刚度）范围内，而脊髓组织的杨氏模量范围在2.0–3.5 kPa（较高刚度）。
原发性脑肿瘤：原发性脑肿瘤样本（图b）表现出异质性衰减 profile，反映了它们不同的组织学组成。GBM表现出中等衰减斜率（-5.190 ± 0.522），与其高细胞密度和致密细胞外基质一致。先前研究报道胶质母细胞瘤的杨氏模量值在2–5 kPa范围内，证实了其与健康脑组织相比增加的刚度。垂体腺瘤在原发性肿瘤中呈现最陡的衰减斜率（-10.882 ± 0.792），表明结构显著更软，这与外科触觉观察描述这些肿瘤为“液体样”一致。这得到了机械研究的支持，显示垂体腺瘤的杨氏模量值在0.5–1.5 kPa范围内，与软灰质相似。脉络丛乳头状瘤、室管膜瘤和神经鞘瘤显示中间斜率（-5.424 至 -6.496），表明中等刚度水平。值得注意的是，接受术前纤维蛋白胶血管栓塞治疗的脉络丛乳头状瘤样本在术中经历了频繁的电凝以控制出血，可能增加了其刚度并影响了其衰减 profile。这是一个重要的考虑因素，因为电凝和手术操作可以显著改变组织的机械特性。神经母细胞瘤在原发性脑肿瘤中显示最浅的衰减斜率（-3.607 ± 0.524）。
转移性肿瘤：转移性肿瘤（图c）显示更均匀的衰减特征，但基于肿瘤起源和保存状态出现变化。新鲜乳腺 carcinoma 显示中等衰减（-6.117 ± 0.923），但其福尔马林固定的对应物表现出 drastically 减少的衰减（-1.169 ± 0.131），具有最高的反射值（0.969 ± 0.004），说明了化学固定对组织的硬化效应。肺腺癌和神经内分泌癌显示中等斜率，分别为（-5.775 ± 0.296）和（-3.232 ± 0.141），表明中等刚度水平。卵巢癌，斜率为（-5.351 ± 0.794），显示机械特性更接近健康脑区域。
肿瘤与健康脑组织的声学特性
为了进一步探索肿瘤组织与非肿瘤脑区域之间的生物力学差异，使用重量依赖性衰减分析得出的斜率计算每种组织类型在平均组织重量25.7 mg下的归一化反射。这种方法允许直接比较所有组织类型的声学衰减，将组织刚度的影响与样本质量的混杂效应分离开来。图说明了SAW设备对组织特异性机械特性的敏感性，独立于质量。显示的谱对应于来自三个不同患者的重量近似相等的组织样本：非肿瘤皮层组织、室管膜瘤和腺癌。尽管样本质量相似（约24 mg），在共振频率处观察到衰减深度的明显差异。非肿瘤皮层组织表现出最强的衰减，而肿瘤样本显示减少的阻尼，与其增加的刚度一致。这证明观察到的衰减趋势不仅仅由质量负载驱动，而且还受到内在组织机械特性的影响。这些发现直接支持了图中观察到的组织特异性分离。
结果总结在图中，其中绘制了每种组织类型的归一化反射值以及原发性肿瘤、转移性肿瘤和非肿瘤脑区域的平均值。为了跨组织类型进行声学特性的比较分析，排除了特定样本以确保一致性并避免混杂效应。从非肿瘤组中，排除了延髓和脊髓样本，因为它们固有地具有较高的刚度。在原发性脑肿瘤组内，排除了脉络丛乳头状瘤（因术中电凝改变）和垂体腺瘤（因其液体样 consistency 被 noted）。在转移组中，排除了福尔马林固定的乳腺 carcinoma 样本，因为化学保存的即时硬化效应。这些排除使得能够更准确地比较未经处理的、代表性组织类型的内在生物力学特性。
非肿瘤脑组织表现出最低的反射值，证实了由于其柔软的机械特性而导致的高衰减。小脑和皮层表现出最大的衰减，分别为（0.782 ± 0.041）和（0.802 ± 0.010），与其高度可变形的性质一致。相反，脊髓显示最高的反射（0.918 ± 0.008），反映了其结构上更致密和更坚硬的组成。这些发现与磁共振弹性成像研究一致，其中灰质区域表现出比白质更低的刚度，以及剪切波弹性成像测量，其证实了皮层区域更高的波吸收。
原发性脑肿瘤显示显著更高的反射值，证实了其相对于非肿瘤脑组织更大的刚度。GBM呈现最高的反射值之一（0.867 ± 0.015），与Kren等人、Khoonkoi等人和Parkins等人检查GBM刚度测量机械特性的研究一致，报告杨氏模量值在2–6 kPa之间。垂体腺瘤，尽管是肿瘤，但表现出低反射（0.720 ± 0.
