供稿人：韓康 賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-07-31
心臟功能的連續(xù)成像對于長期評估心血管健康、檢測急性心臟功能障礙以及危重患者的臨床管理是十分需要的。然而，傳統(tǒng)的非侵入檢測設(shè)備由于體積龐大無法連續(xù)測量心臟功能，而現(xiàn)有的可穿戴心臟設(shè)備也只能捕捉皮膚上的信號(hào)。因此，加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可穿戴超聲設(shè)備，用于連續(xù)、實(shí)時(shí)和直接的心功能評估。該團(tuán)隊(duì)在設(shè)備設(shè)計(jì)和材料制造方面引入了創(chuàng)新，改善了設(shè)備與人體皮膚之間的機(jī)械耦合，使左心室能夠在運(yùn)動(dòng)過程中從不同角度進(jìn)行檢查。同時(shí)還開發(fā)了一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型，該模型可以從連續(xù)圖像記錄中自動(dòng)提取左心室容積，產(chǎn)生關(guān)鍵心臟性能指標(biāo)的波形，如搏出量、心輸出量和射血分?jǐn)?shù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠在各種環(huán)境中以顯著提高的準(zhǔn)確性對心臟性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)可穿戴監(jiān)測。
該裝置由壓電換能器陣列、液態(tài)金屬復(fù)合電極和三嵌段共聚物封裝層組成，如分解示意圖所示（圖1a）。每個(gè)換能器元件由各向異性1-3層壓電復(fù)合材料和銀環(huán)氧基背襯層組成，為了平衡穿透深度和空間分辨率，選擇3MHz中心諧振頻率用于深層組織成像，陣列間距為0.4?毫米（即0.78個(gè)超聲波波長），提高了橫向分辨率并減少了光柵波瓣。為了在這樣一個(gè)緊湊的陣列中單獨(dú)處理每個(gè)元素，該團(tuán)隊(duì)基于共晶鎵銦液態(tài)金屬和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）的復(fù)合材料制作了厚度僅為8?μm高密度多層可拉伸電極。該復(fù)合材料具有高導(dǎo)電性，且易于成型（圖1b，c）。搭接剪切測量表明，換能器元件和SEBS基板之間界面結(jié)合強(qiáng)度約為250?kPa，而換能器元件和復(fù)合電極之間的界面結(jié)合強(qiáng)度約為236?kPa（圖1d），它們都比典型的商業(yè)粘合劑更強(qiáng)。同樣由復(fù)合材料制成的電磁屏蔽可以減輕環(huán)境電磁波的干擾，從而降低超聲射頻信號(hào)中的噪聲，提高圖像質(zhì)量。該器件也表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)電特性，如高機(jī)電耦合系數(shù)、低介電損耗、寬帶寬和可忽略串?dāng)_。整個(gè)裝置具有921kPa的低楊氏模量，與人體皮膚模量相當(dāng)并表現(xiàn)出高達(dá)約110%的高拉伸性（圖1e），且可以承受各種變形（圖1f）?？紤]到人體皮膚上的典型應(yīng)變在20%以內(nèi)，這些機(jī)械特性使可穿戴式成像儀能夠在與皮膚保持大面積緊密接觸，這對剛性超聲設(shè)備來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。
圖1 (a) 可穿戴成像儀分解圖的示意圖，標(biāo)有關(guān)鍵部件（左）及其工作原理（右）。 (b) 液態(tài)金屬復(fù)合電極的電阻作為單軸的拉伸應(yīng)變函數(shù)。y軸是定義為R/R0的相對電阻，其中R0和R分別是在0%應(yīng)變和給定應(yīng)變下測得的電阻。 (c) 電極在0%和100%單軸拉伸應(yīng)變之間的循環(huán)性能，顯示了電極的穩(wěn)定性。 (d) 換能器元件和SEBS或液態(tài)金屬復(fù)合電極之間的搭接剪切強(qiáng)度。 (e)整個(gè)裝置在110%雙軸拉伸下的有限元分析。 (f) 光學(xué)圖像顯示了可穿戴成像儀在可顯影表面上彎曲、包裹在不可顯影表面、戳和扭曲時(shí)的機(jī)械順應(yīng)性。
可穿戴成像儀可用于運(yùn)動(dòng)過程中獲取心臟功能數(shù)據(jù)。該設(shè)備可以連接到胸部，對受試者的運(yùn)動(dòng)限制最小，從而在運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)中和運(yùn)動(dòng)后連續(xù)記錄心臟活動(dòng)，運(yùn)動(dòng)偽影可以忽略不計(jì)。其不僅可以捕捉測試過程中的實(shí)時(shí)響應(yīng)，還可以提供客觀的數(shù)據(jù)來標(biāo)準(zhǔn)化終點(diǎn)，并在整個(gè)測試過程中提高患者的安全性。同時(shí)使用液相硅膠作為耦合劑，可以獲得穩(wěn)定質(zhì)量的圖像，而不是隨著時(shí)間的推移蒸發(fā)的水基超聲凝膠。持續(xù)穿戴24小時(shí)后，沒有觀察到皮膚刺激或過敏。在裝置連續(xù)工作1?h后，受試者心率保持穩(wěn)定，裝置溫度恒定約為32?℃。此外，在不同受試者上測試了同一種裝置。重復(fù)性結(jié)果表明可穿戴成像儀性能穩(wěn)定可靠。在運(yùn)動(dòng)期間，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了應(yīng)力超聲心動(dòng)圖來演示該裝置的性能。整個(gè)過程沿胸骨旁長軸將裝置貼附于受試者進(jìn)行連續(xù)記錄，主要包括三個(gè)階段(圖2a)。在休息階段，受試者平臥位。在運(yùn)動(dòng)階段，受試者每隔一段時(shí)間在一輛靜止的自行車上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到可能的最大心率。在恢復(fù)階段，受試者再次處于仰臥位。該裝置實(shí)現(xiàn)了對左心室活動(dòng)的不間斷跟蹤，包括相應(yīng)的M型超聲心動(dòng)圖和同步心率波形(圖2b、c)。檢查了每個(gè)測試階段的代表性切面，并提取了左心室內(nèi)徑收縮末期(LVIDs)和左心室內(nèi)徑舒張末期(LVIDd) (圖2d)。受試者的LVIDs和LVIDd在休息階段保持穩(wěn)定(圖2e)。在運(yùn)動(dòng)階段，受試者的室間隔和左心室后壁向皮膚表面移動(dòng)的距離更近，后者的移動(dòng)幅度大于前者，導(dǎo)致LVIDs和LVIDd減小。在恢復(fù)期，LVIDs和LVIDd緩慢恢復(fù)正常。短軸縮短率作為衡量心肌收縮力的指標(biāo)，其變化反映了負(fù)荷超聲心動(dòng)圖不同階段對血供需求的變化(圖2e)。特別地，圖2b中的第4部分包括運(yùn)動(dòng)和休息時(shí)間，深呼吸的模式也可以從左心室后壁運(yùn)動(dòng)中看到(圖2f)。
圖2 (a) 負(fù)荷超聲心動(dòng)圖的三個(gè)階段。在休息階段，受試者仰臥4?min左右。運(yùn)動(dòng)階段，受試者騎固定自行車約15?min，間歇休息。在恢復(fù)階段，受試者再次平臥約10?min。穿戴式成像儀在整個(gè)測試過程中，甚至在階段之間的轉(zhuǎn)換過程中，都附著在受試者的胸部。(b) 連續(xù)M型超聲心動(dòng)圖。確定了室間隔和左心室后壁的關(guān)鍵特征。標(biāo)注了休息、運(yùn)動(dòng)(與休息的間隔)和恢復(fù)階段。(c) 從M型超聲心動(dòng)圖中提取心率的變化。(d) .b中第1節(jié)(休息)、第2節(jié)(運(yùn)動(dòng))和第3節(jié)(恢復(fù))的放大圖像。(e) 記錄3個(gè)不同階段的左心室舒張末期內(nèi)徑(LVIDd)和左心室收縮末期內(nèi)徑(LVIDs)波形及相應(yīng)的平均短軸縮短率。(f) 在運(yùn)動(dòng)期間放大第4節(jié)的圖像,表明出現(xiàn)深呼吸。
這項(xiàng)工作結(jié)果表明，即使受試者正在進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，可穿戴成像儀也提供了不間斷的逐幀心臟圖像采集。此外，具有深度學(xué)習(xí)的可穿戴成像器通過自動(dòng)連續(xù)輸出關(guān)鍵心臟指標(biāo)的曲線，如心肌位移、中風(fēng)量、射血分?jǐn)?shù)和心輸出量，提供了可操作的信息，這在重癥監(jiān)護(hù)、心血管疾病管理和運(yùn)動(dòng)科學(xué)中是非常理想的。這種能力在傳統(tǒng)臨床實(shí)踐中是前所未有的，可以為門診和運(yùn)動(dòng)人群帶來潛在的好處。