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清华大学冯雪教授《Sci.Adv.》:可以贴在皮肤上的柔性多普勒超声仪,中国化工网,okmart.com
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清华大学冯雪教授《Sci.Adv.》:可以贴在皮肤上的柔性多普勒超声仪
2021年10月29日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

血管重建手术后形成的血栓和血管狭窄可能会导致中风等并发症,目前缺乏持续监测血管状况的临床手段。传统的超声探头是刚性的,这对于术后皮肤脆弱的患者而言是十分不利的。而基于光体积成像或热分析的传统技术只能提供血管流量的相对变化,而且探测血管的深度较浅中国化工网okmart.com


为解决该问题,受柔性电子设备的启发,来自清华大学的冯雪教授团队研发了一种基于多普勒效应的柔性多普勒超声装置,它可用于连续监测人体深处动脉的绝对血流速度。该设备很薄(1毫米)、重量轻(0.75克)而且容易与皮肤贴合。该装置采用双波束多普勒法,从而避免了多普勒角对测速的影响。在超声模型和人体上进行的实验研究表明该装置可以准确地测量血液的流速。这种可穿戴的多普勒装置有助于提高血管重建手术后患者的护理质量。相关工作以题为“Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity”的研究性文章在《Science Advances》上发表。


多普勒超声仪原理

超声波测量血流速度的原理是基于多普勒效应。本文设计的装置中的压电换能器可以将频率为f0的超声波传输到皮肤。当接收到来自运动的散射体(例如红细胞)的回波时,接收频率fR与发射频率具有一定的偏差,这个就是多普勒频移FD. 血流的多普勒信号是血流中具有不同速度的散射体的多个单频信号的混合信号,其中每一个都有特定的振幅、频率和相位(图1C)。在提取多普勒信号之前,需要对实际接收的信号进行解调。而设计柔性多普勒超声装置的关键问题是超声多普勒效应的产生和多普勒角度θ的确定。为了解决第一个问题,本文使用倾斜的换能器阵列产生倾斜的超声波束,使超声波束和散射体之间有相对运动。第二个问题由DBUD方法解决。根据这一原理,本文设计了一种柔性多普勒超声装置,如图1B所示。

清华大学冯雪教授《Sci.Adv.》:可以贴在皮肤上的柔性多普勒超声仪 中国化工网,okmart.com

图1. 多普勒超声仪原理与设计示意图

多普勒超声仪的特性

使用不同倾角的压电换能器是为了避免医生去调整病人各个部位的角度,因为传统的超声探头检查要频繁调整角度,该装置还能够克服多普勒角度对使用DBUD方法测量速度的影响。在考虑确定倾斜角θ时,首先要注意,由于Ecoflex基材和皮肤之间的声阻抗不匹配,超声波将在界面上发生折射,因此,注入血管γ的超声束的角度要大于θ(图2A)。倾角越大,入射波的能量损失越大(图2B)。另一方面,倾角越小,多普勒频移越小。本文利用有限元分析软件(COMSOL MultiPhysical 5.0)计算了该换能器倾角为20°时的波束方向图。结果表明,该换能器具有良好的束流方向性(图2C)。对于附着在可变形皮肤表面的柔性超声装置来说,稳定的性能是非常重要的。为此,本文测量了换能器弯曲500次前后的脉冲响应和频率响应(图2D和E)。结果表明,其弯曲前后性能保持不变,中心频率稳定在5MHz左右。

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图2.装置的特性和性能。

体外装置特性的研究

该装置首先在标准超声波模型上进行了测试。本文使用的超声体模型是Optimizer 1425A (图3A)。图3B显示了不同速度下模拟血液流动的多普勒频谱。在12s内,分别将峰值流速(PFV)调整为60、40、20 cm/s。一般情况下,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,因此产生了大大小小的多普勒频移的混合信号。如图3B所示,从60 cm/s到20 cm/s,峰值多普勒频移减小,频移范围减小,多普勒信号强度增大。这些结果表明,当散射体的速度范围减小时,具有相似速度的散射体的数量增加。本文还利用改进的几何方法计算了三种倾角的换能器在三种速度下产生的峰值多普勒频移。随着倾角和速度的增加,峰值频移增大,这也可以从多普勒方程中得出结论(图3C)。 另一方面,利用不同倾角的压电换能器阵列,可以克服多普勒角对流速测量的影响,实现对流速的定量测量。这种方法的原理称为DBUD,如图3D所示。

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图3.体外设备验证。

血流速度的监测

颈动脉位于皮肤表面下约25 mm处,它将从心脏泵送的血液输送到大脑,因此与脑血流量呈正相关。本文测量了一个典型的颈动脉血流频谱,显示了五个特征点(图4A)。还使用EPIQ 7超声机(飞利浦超声)进行验证,结果显示出显著的一致性(图4B)。将频谱计算的血流参数(PSV、EDV、TAPV、RI)与商用超声仪测得的血流参数进行比较。结果有力地证明了本文的装置测量血流量的准确性(图4C)。除了频谱之外,测量结果还可以以多普勒音频的形式显示,因为多普勒频移在人耳可听范围内(从20 Hz到20 kHz)(图4D)。


袖带实验

本文使用了一种柔性多普勒装置来监测肱动脉从完全闭合状态到开放状态的特性。测量装置的示意图如图5A所示。上臂上缠着一个充气袖口。然后充气远高于140毫米汞柱以阻断动脉血流,然后慢慢放气。在某个时间点,动脉重新开放,血流恢复(图5B)。当袖带压力较高时,血管关闭,没有检测到多普勒频移信号。随着袖带压力的降低,在一定压力水平突然出现移位信号,也就是出现明显的血流信号,并且移位的峰值逐渐增大(图5C、D左侧)。随着血管的开放,血流逐渐恢复,血管壁的峰值频移减小。动脉开放时的信号比血流信号更明显,但闭合信号由于其低频移而很难被检测到,这可以通过增加压电换能器的发射频率或减小其倾斜角来解决(因为动脉壁垂直于血流方向移动)。


小结:这种灵活、轻便的多普勒超声设备支持对人体动脉血流速度的无创、实时和连续监测。与传统的临床超声仪相比,该设备避免了复杂的成像(多普勒角度测量),无需要人员培训,施加给皮肤的压力小,因此可以用于长期的监测。与其他血流监测技术相比,它可以提供样本范围内所有运动散射体的绝对速度,而不需要使用DBUD方法进行校准。材料成分和微加工过程的设计确保了它可以附着在弯曲的皮肤表面上,并在无偶联剂的情况下提供了较好的信号质量。该设备可用于血管重建手术后的血流速度监测或一些慢性血管疾病的预防性家庭护理检查,如糖尿病足等等。


标签:化工应用技术中心今日头条生物化学生物制药
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