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      清華大學馮雪教授《Sci.Adv.》:可以貼在皮膚上的柔性多普勒超聲儀

      嘉峪檢測網        2021-10-29 22:23

      血管重建手術后形成的血栓和血管狹窄可能會導致中風等并發癥,目前缺乏持續監測血管狀況的臨床手段。傳統的超聲探頭是剛性的,這對于術后皮膚脆弱的患者而言是十分不利的。而基于光體積成像或熱分析的傳統技術只能提供血管流量的相對變化,而且探測血管的深度較淺。

       

      為解決該問題,受柔性電子設備的啟發,來自清華大學的馮雪教授團隊研發了一種基于多普勒效應的柔性多普勒超聲裝置,它可用于連續監測人體深處動脈的絕對血流速度。該設備很薄(1毫米)、重量輕(0.75克)而且容易與皮膚貼合。該裝置采用雙波束多普勒法,從而避免了多普勒角對測速的影響。在超聲模型和人體上進行的實驗研究表明該裝置可以準確地測量血液的流速。這種可穿戴的多普勒裝置有助于提高血管重建手術后患者的護理質量。相關工作以題為“Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity”的研究性文章在《Science Advances》上發表。

       

      多普勒超聲儀原理

       

      超聲波測量血流速度的原理是基于多普勒效應。本文設計的裝置中的壓電換能器可以將頻率為f0的超聲波傳輸到皮膚。當接收到來自運動的散射體(例如紅細胞)的回波時,接收頻率fR與發射頻率具有一定的偏差,這個就是多普勒頻移FD. 血流的多普勒信號是血流中具有不同速度的散射體的多個單頻信號的混合信號,其中每一個都有特定的振幅、頻率和相位(圖1C)。在提取多普勒信號之前,需要對實際接收的信號進行解調。而設計柔性多普勒超聲裝置的關鍵問題是超聲多普勒效應的產生和多普勒角度θ的確定。為了解決第一個問題,本文使用傾斜的換能器陣列產生傾斜的超聲波束,使超聲波束和散射體之間有相對運動。第二個問題由DBUD方法解決。根據這一原理,本文設計了一種柔性多普勒超聲裝置,如圖1B所示。

       

      清華大學馮雪教授《Sci.Adv.》:可以貼在皮膚上的柔性多普勒超聲儀

      圖1. 多普勒超聲儀原理與設計示意圖

       

      多普勒超聲儀的特性

       

      使用不同傾角的壓電換能器是為了避免醫生去調整病人各個部位的角度,因為傳統的超聲探頭檢查要頻繁調整角度,該裝置還能夠克服多普勒角度對使用DBUD方法測量速度的影響。在考慮確定傾斜角θ時,首先要注意,由于Ecoflex基材和皮膚之間的聲阻抗不匹配,超聲波將在界面上發生折射,因此,注入血管γ的超聲束的角度要大于θ(圖2A)。傾角越大,入射波的能量損失越大(圖2B)。另一方面,傾角越小,多普勒頻移越小。本文利用有限元分析軟件(COMSOL MultiPhysical 5.0)計算了該換能器傾角為20°時的波束方向圖。結果表明,該換能器具有良好的束流方向性(圖2C)。對于附著在可變形皮膚表面的柔性超聲裝置來說,穩定的性能是非常重要的。為此,本文測量了換能器彎曲500次前后的脈沖響應和頻率響應(圖2D和E)。結果表明,其彎曲前后性能保持不變,中心頻率穩定在5MHz左右。

       

      清華大學馮雪教授《Sci.Adv.》:可以貼在皮膚上的柔性多普勒超聲儀

      圖2.裝置的特性和性能。

       

      體外裝置特性的研究

       

      該裝置首先在標準超聲波模型上進行了測試。本文使用的超聲體模型是Optimizer 1425A (圖3A)。圖3B顯示了不同速度下模擬血液流動的多普勒頻譜。在12s內,分別將峰值流速(PFV)調整為60、40、20 cm/s。一般情況下,由于摩擦力的作用,管壁附近的流速比中心附近的流速要慢,因此產生了大大小小的多普勒頻移的混合信號。如圖3B所示,從60 cm/s到20 cm/s,峰值多普勒頻移減小,頻移范圍減小,多普勒信號強度增大。這些結果表明,當散射體的速度范圍減小時,具有相似速度的散射體的數量增加。本文還利用改進的幾何方法計算了三種傾角的換能器在三種速度下產生的峰值多普勒頻移。隨著傾角和速度的增加,峰值頻移增大,這也可以從多普勒方程中得出結論(圖3C)。 另一方面,利用不同傾角的壓電換能器陣列,可以克服多普勒角對流速測量的影響,實現對流速的定量測量。這種方法的原理稱為DBUD,如圖3D所示。

       

      清華大學馮雪教授《Sci.Adv.》:可以貼在皮膚上的柔性多普勒超聲儀

      圖3.體外設備驗證。

       

      血流速度的監測

       

      頸動脈位于皮膚表面下約25 mm處,它將從心臟泵送的血液輸送到大腦,因此與腦血流量呈正相關。本文測量了一個典型的頸動脈血流頻譜,顯示了五個特征點(圖4A)。還使用EPIQ 7超聲機(飛利浦超聲)進行驗證,結果顯示出顯著的一致性(圖4B)。將頻譜計算的血流參數(PSV、EDV、TAPV、RI)與商用超聲儀測得的血流參數進行比較。結果有力地證明了本文的裝置測量血流量的準確性(圖4C)。除了頻譜之外,測量結果還可以以多普勒音頻的形式顯示,因為多普勒頻移在人耳可聽范圍內(從20 Hz到20 kHz)(圖4D)。

       

      清華大學馮雪教授《Sci.Adv.》:可以貼在皮膚上的柔性多普勒超聲儀

      圖4.血流速度監測。

       

      袖帶實驗

       

      本文使用了一種柔性多普勒裝置來監測肱動脈從完全閉合狀態到開放狀態的特性。測量裝置的示意圖如圖5A所示。上臂上纏著一個充氣袖口。然后充氣遠高于140毫米汞柱以阻斷動脈血流,然后慢慢放氣。在某個時間點,動脈重新開放,血流恢復(圖5B)。當袖帶壓力較高時,血管關閉,沒有檢測到多普勒頻移信號。隨著袖帶壓力的降低,在一定壓力水平突然出現移位信號,也就是出現明顯的血流信號,并且移位的峰值逐漸增大(圖5C、D左側)。隨著血管的開放,血流逐漸恢復,血管壁的峰值頻移減小。動脈開放時的信號比血流信號更明顯,但閉合信號由于其低頻移而很難被檢測到,這可以通過增加壓電換能器的發射頻率或減小其傾斜角來解決(因為動脈壁垂直于血流方向移動)。

       

      清華大學馮雪教授《Sci.Adv.》:可以貼在皮膚上的柔性多普勒超聲儀

       

      圖5.袖帶實驗中血流和動脈壁運動的監測。

       

      小結:這種靈活、輕便的多普勒超聲設備支持對人體動脈血流速度的無創、實時和連續監測。與傳統的臨床超聲儀相比,該設備避免了復雜的成像(多普勒角度測量),無需要人員培訓,施加給皮膚的壓力小,因此可以用于長期的監測。與其他血流監測技術相比,它可以提供樣本范圍內所有運動散射體的絕對速度,而不需要使用DBUD方法進行校準。材料成分和微加工過程的設計確保了它可以附著在彎曲的皮膚表面上,并在無偶聯劑的情況下提供了較好的信號質量。該設備可用于血管重建手術后的血流速度監測或一些慢性血管疾病的預防性家庭護理檢查,如糖尿病足等等。

       

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      來源:高分子科學前沿

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