一種可直接實(shí)時(shí)評(píng)估心臟功能的可穿戴超聲成像傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可直接實(shí)時(shí)評(píng)估心臟功能的可穿戴超聲成像傳感器，并且，這款傳感器改善了人體皮膚和器件之間的耦合，從而能夠在運(yùn)動(dòng)中從不同的角度檢查左心室。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“A wearable cardiac ultrasound imager”為題發(fā)表于Nature期刊。

本研究開發(fā)的可穿戴超聲成像傳感器僅約為一張郵票大小，可24小時(shí)佩戴，即使在劇烈運(yùn)動(dòng)中也能正常工作

研究背景

心臟功能的持續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)于檢測(cè)心臟功能不全，以及管理手術(shù)、危重患者的心血管疾病至關(guān)重要。然而，專業(yè)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備通常體積龐大，而可穿戴設(shè)備只能檢測(cè)皮膚上的信號(hào)，因此，現(xiàn)有的非侵入性方法很難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心血管健康狀況。

研究概述

在這項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一種可穿戴超聲成像器件，采用了液態(tài)金屬復(fù)合電極、壓電換能器陣列和三嵌段共聚物封裝。傳統(tǒng)超聲探頭需要旋轉(zhuǎn)以獲得提供心臟全面圖像的兩個(gè)正交方向，為了避免該旋轉(zhuǎn)要求，這款可穿戴超聲成像器件設(shè)計(jì)為能夠提供不同視圖的正交配置。

可穿戴超聲成像傳感器分解示意圖

研究人員選擇了3 MHz中心共振超聲頻率用于深層組織成像，同時(shí)考慮了空間分辨率和穿透深度。共晶鎵-銦液態(tài)金屬和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）被用于構(gòu)建多層、高密度、可拉伸的電極，使器件緊湊具有柔性。此外，每個(gè)壓電換能器元件都包含一個(gè)與銀環(huán)氧樹脂基背襯層耦合的各向異性1-3型壓電復(fù)合材料。

這種柔性可穿戴超聲成像傳感器，能夠在運(yùn)動(dòng)前后或運(yùn)動(dòng)中連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄心臟活動(dòng)

用于評(píng)估成像質(zhì)量的五個(gè)指標(biāo)包括軸向、高程和橫向特殊分辨率、軸向和橫向定位精度、信噪比、對(duì)比度噪聲比和動(dòng)態(tài)范圍。研究人員比較了單焦點(diǎn)、平面波和寬波束合成，以分析對(duì)成像質(zhì)量至關(guān)重要的發(fā)射波束形成策略。此外，研究人員還考量了接收波束形成策略以進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

研究人員采用了寬波束合成方法以分析器件的特殊分辨率，并評(píng)估了器件的對(duì)比度噪聲比和動(dòng)態(tài)范圍。并將該器件的性能與商用超聲心動(dòng)圖設(shè)備進(jìn)行了比較。此外，研究人員將這款可穿戴超聲成像傳感器貼附到受試者身上，受試者開始仰臥，然后在動(dòng)感單車上多次鍛煉直到達(dá)到最大心率，由此評(píng)估了該傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中的檢測(cè)性能。并對(duì)每個(gè)測(cè)試階段的左心室舒張末期內(nèi)徑和收縮末期內(nèi)徑（LVID和LVIDd）進(jìn)行了評(píng)估。

此外，研究人員應(yīng)用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從實(shí)時(shí)的圖像中獲取了左心室容積數(shù)據(jù)。這些信息對(duì)于確定潛在風(fēng)險(xiǎn)因素和心臟泵送能力的變化至關(guān)重要。

研究結(jié)果

研究結(jié)果表明，這款可穿戴超聲成像傳感器顯著改善了對(duì)心臟功能的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。寬帶寬、低介電損耗、增強(qiáng)的機(jī)電耦合以及近乎為零的串?dāng)_，確保了器件優(yōu)異的機(jī)電性能。該器件的楊氏模量與人體皮膚的楊氏模量相當(dāng)，并結(jié)合了更強(qiáng)的可拉伸性，從而能夠保持與皮膚的緊密接觸，這是現(xiàn)有超聲器件較難實(shí)現(xiàn)的。

將這款可穿戴超聲成像傳感器與商用超聲心動(dòng)圖設(shè)備進(jìn)行比較，兩者的檢測(cè)結(jié)果差異可以忽略不計(jì)。研究人員還報(bào)告說，這款傳感器可以使運(yùn)動(dòng)模式（M-mode）成像的機(jī)械活動(dòng)與超聲心動(dòng)圖相關(guān)聯(lián)。

運(yùn)動(dòng)負(fù)荷超聲心動(dòng)圖（應(yīng)用超聲心動(dòng)圖對(duì)比觀察負(fù)荷狀態(tài)與靜息狀態(tài)超聲所見，以了解受檢者心血管系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的反應(yīng)狀況）是現(xiàn)有超聲檢測(cè)手段表現(xiàn)不足的領(lǐng)域之一，因?yàn)閿?shù)據(jù)只能在劇烈運(yùn)動(dòng)前后獲得。在快速恢復(fù)的情況下，運(yùn)動(dòng)期間的病理反應(yīng)可能會(huì)被遺漏。使用液相硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)在超聲過程中蒸發(fā)的水基凝膠，確保了成像質(zhì)量穩(wěn)定。受試者佩戴這款可穿戴超聲裝置24小時(shí)之后，未報(bào)告過敏或皮膚刺激，并且，裝置溫度保持穩(wěn)定。來自多個(gè)受試者的相似結(jié)果，確保了這款裝置性能的穩(wěn)定性和可靠性。

運(yùn)動(dòng)中的心臟監(jiān)測(cè)

此外，研究人員利用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從連續(xù)圖像中提取的左心室容積數(shù)據(jù)，顯示了與商業(yè)超聲成像設(shè)備相似的波形。

總體來說，這種可穿戴超聲成像傳感器有望成為危重心臟病患者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟功能的重要工具。此外，小巧的尺寸、運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性以及器件與人體皮膚之間更好的貼服性，使其成為負(fù)荷超聲心動(dòng)圖期間檢測(cè)心臟反應(yīng)變化的重要潛在工具。

編輯：黃飛

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