加州大學聖地亞哥分校的工程師開發了一種柔軟且有彈性的超音波貼片，可以貼在皮膚上，以監測人體深處主要動脈和靜脈的血流量。
了解血液流經患者血管的流速和流量很重要，因為它可以幫助臨床醫師診斷各種心血管疾病，包括血栓、心臟瓣膜問題、四肢血液循環不良，或可能導致中風或心髒病發作的動脈阻塞。
由奈米工程教授Sheng Xu領導的團隊，在7月16日出刊的《Nature Biomedical Engineering (自然生醫工程)》中發表了該貼片。貼片可以貼在脖子或胸部。該貼片的特別之處，在於它可以以非侵入性的方式，精準感知和測量體內深達14公分的心血管信號。
Sheng Xu 說:“這種類型的穿戴式設備可以讓你更全面、更準確地了解深層組織和心臟大腦等關鍵器官的情況，而所有這些資訊都從皮膚表面得到。”
本研究的共同第一作者Chonghe Wang說:“對於可穿戴式電子設備而言，要感知在如此深度的信號極具挑戰性。然而，這是身體最關鍵的信號和中樞器官埋藏的地方。我們設計了一種可穿戴式設備，它可以穿透如此深的組織深度，並感應到皮膚下方深處的那些重要信號。這項技術可以為醫療保健領域提供新的洞見。”
超音波貼片的另一個創新特點是，超音波束可以以不同的角度傾斜，並引導到身體中不直接位於貼片下方的區域。
Xu解釋說:“這是穿戴式設備領域的創舉，因為現有的可穿戴式傳感器通常只監控它們正下方的區域。如果你想感應不同位置的信號，你必須將傳感器移動到那個位置。使用此貼片，我們可以探測更寬的區域。”
工作原理
該貼片由一層薄薄的柔韌、可拉伸的聚合物製成，可黏貼在皮膚上。嵌在貼片上的是毫米大小的超音波換能器陣列。每一個都由電腦單獨控制 — 這種類型的陣列被稱為超音波相位式陣列。它是該技術的關鍵部分，使貼片能偵測更深更廣的訊號。
相位式陣列由一個12 x 12的超音波換能器網格組成。當電流流過換能器時，它們會振動並發出超音波，超音波穿過皮膚並深入體內。當超音波穿透主要血管時，它們會遇到血管內部流動的紅血球的移動。這種移動改變了超音波反射回波至貼片的方式 — 這種效應被稱為都卜勒頻移。這種反射信號的變化被貼片接收，並用於建立血流的視覺記錄。同樣的機制也可用於建立心臟壁的動態圖像。
相位式陣列提供兩種主要的操作模式。 在一種模式下，所有換能器可以同步傳輸超音波，進而產生高強度超音波束，聚焦在體內深達14公分的一個點上。在另一種模式下，可以使換能器不同步傳輸，進而產生可以轉向不同角度的超音波束。
另一位共同第一作者Muyang Lin 說:“利用相位式陣列技術，我們可以按照我們想要的方式操控超音波束，這為我們的設備賦予了多種功能：以高解析度監測中樞器官和血流。僅使用一個換能器是不可能做到的。”
臨床上有潛力的遊戲規則改變者
對於許多人來說，血流量不是在定期就醫期間測量的。通常是在患者出現一些心血管問題跡象，或患者處於高風險時，才會進行評估。
標準的血流檢查本身可能既費時又費力。一名訓練有素的技術人員將手持超音波探頭壓在患者的皮膚上，並將其從一個區域移動到另一個區域，直到它位於主要血管正上方。這聽起來可能很簡單，但結果可能因人員和手法而異。
本研究的共同作者之一，Sai Zhou說:“由於該貼片使用簡便，因此可以解決這些問題。只要把它貼在皮膚上，然後讀取信號。它不取決於操作人員，不會給技術人員、臨床醫師或患者帶來額外的工作或負擔。在未來，患者可以配戴這樣的器材來進行即時照護，或在家進行持續性監測。”
在測試中，該貼片的性能與臨床上目前使用的超音波探頭一樣好。它準確地記錄了主要血管中的血流量，例如頸動脈。能夠監測這種血流的變化，有助於在症狀出現之前鑑別出一個人是否有中風的風險。
研究人員指出，該貼片在正式應用到臨床之前，還有很長的路要走。目前，它需要連接到電源和機台才能工作。Xu的團隊正致力於整合貼片上的所有電子元件，使其無線化。
編譯: 陳玉芝
Comments