Носимый аппарат УЗИ сердца

Nature, том 613, страницы 667–675 (2023 г.) Процитировать эту статью

89 тысяч доступов

31 цитат

793 Альтметрика

Подробности о метриках

Непрерывная визуализация функций сердца крайне желательна для оценки долгосрочного состояния сердечно-сосудистой системы, выявления острой сердечной дисфункции и клинического ведения критически больных или хирургических пациентов1,2,3,4. Однако традиционные неинвазивные подходы к визуализации сердечной функции не могут обеспечить непрерывные измерения из-за громоздкости устройства5,6,7,8,9,10,11, а существующие носимые кардиологические устройства могут улавливать сигналы только на коже12,13,14, 15,16. Здесь мы сообщаем о портативном ультразвуковом устройстве для непрерывной и прямой оценки сердечной функции в режиме реального времени. Мы внедряем инновации в конструкцию устройств и изготовление материалов, которые улучшают механическое соединение устройства с кожей человека, позволяя исследовать левый желудочек с разных точек зрения во время движения. Мы также разрабатываем модель глубокого обучения, которая автоматически извлекает объем левого желудочка из непрерывной записи изображений, получая формы сигналов ключевых показателей сердечной деятельности, таких как ударный объем, сердечный выброс и фракция выброса. Эта технология позволяет осуществлять динамический мониторинг сердечной деятельности с помощью носимых устройств со значительно повышенной точностью в различных условиях.

Устройство оснащено матрицами пьезоэлектрических преобразователей, жидкометаллическими композитными электродами и инкапсуляцией из триблок-сополимера, как показано на схемах в разобранном виде (рис. 1a, слева, расширенные данные, рис. 1 и дополнительное обсуждение 3). Устройство построено на стироле-этилен-бутилен-стироле (СЭБС). Чтобы обеспечить всестороннее изображение сердца, стандартная клиническая практика заключается в его визуализации в двух ортогональных ориентациях путем вращения ультразвукового датчика17. Чтобы исключить необходимость ручного вращения, мы разработали устройство ортогональной конфигурации (рис. 1а, справа и дополнительные видео 1 и 2). Каждый элемент преобразователя состоял из анизотропного пьезоэлектрического композита 1-3 и подложки на основе серебряной эпоксидной смолы18,19. Чтобы сбалансировать глубину проникновения и пространственное разрешение, мы выбрали центральную резонансную частоту 3 МГц для визуализации глубоких тканей19 (дополнительный рисунок 1). Шаг решетки составлял 0,4 мм (т.е. 0,78 длины волны ультразвука), что повышает латеральное разрешение и уменьшает лепестки решетки20.

а. Схематическое изображение носимого тепловизора в разобранном виде с обозначением основных компонентов (слева) и принципа его работы (справа). б. Сопротивление жидкометаллического композитного электрода в зависимости от одноосной деформации растяжения. Электрод можно без сбоев растянуть примерно до 750%. Ось y представляет собой относительное сопротивление, определяемое как R/R0, где R0 и R — измеренные сопротивления при деформации 0% и заданной деформации соответственно. На вставке представлена ​​сканирующая электронная микрофотография жидкометаллических композитных электродов шириной всего около 30 мкм. Масштабная линейка, 50 мкм. c. Характеристики циклической работы электрода при одноосной деформации растяжения от 0% до 100%, демонстрирующие надежность электрода. На вставке показаны увеличенные характеристики графика во время циклического растяжения и расслабления электрода. d, прочность на сдвиг внахлест соединения между элементами преобразователя и SEBS или жидкометаллическим композитным электродом. Данные являются средними и стандартными отклонениями от n = 3 тестов. На вставке схематично показано испытание на сдвиг внахлест. д, Конечно-элементный анализ всего устройства при 110% двуосном растяжении. f. Оптические изображения, демонстрирующие механическую податливость носимого формирователя изображения при его изгибе на развертывающейся поверхности, обертывании вокруг неразвертывающейся поверхности, протыкании и скручивании. Масштабные линейки, 5 мм.

Чтобы индивидуально адресовать каждый элемент такого компактного массива, мы изготовили многослойные растягивающиеся электроды высокой плотности на основе композита эвтектического жидкого металла галлий-индий и СЭБС21. Композит обладает высокой проводимостью и легко моделируется (рис. 1b, c, дополнительные рисунки 2–4 и методы). Измерения на сдвиг внахлест показывают, что прочность межфазного соединения составляет около 250 кПа между элементом преобразователя и подложкой SEBS и около 236 кПа между элементом преобразователя и композитным электродом (рис. 1d и дополнительный рисунок 5), которые оба прочнее, чем типичные коммерческие клеи22 (дополнительная таблица 2). Полученный электрод имеет толщину всего около 8 мкм (дополнительные рисунки 6 и 7). Электромагнитное экранирование, также выполненное из композита, может смягчить помехи окружающих электромагнитных волн, что снижает шум в ультразвуковых радиочастотных сигналах и повышает качество изображения23 (дополнительный рисунок 8 и дополнительное обсуждение 4). Устройство обладает превосходными электромеханическими свойствами, что определяется его высоким коэффициентом электромеханической связи, низкими диэлектрическими потерями, широкой полосой пропускания и незначительными перекрестными помехами (дополнительный рисунок 1 и методы). Все устройство имеет низкий модуль Юнга, составляющий 921 кПа, что сравнимо с модулем модуля кожи человека24 (дополнительный рисунок 9). Устройство демонстрирует высокую растяжимость примерно до 110% (рис. 1e и дополнительный рис. 10) и может выдерживать различные деформации (рис. 1f). Учитывая, что типичная нагрузка на кожу человека находится в пределах 20% (ссылка 19), эти механические свойства позволяют носимому имидж-сканеру поддерживать тесный контакт с кожей на большой площади, что является сложной задачей для жестких ультразвуковых устройств25.