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12Sep
2018

将大型超声仪器“戴上”手指,华人科学家发明首个中心血压无创测量设备

发布者: DeepTech深科技 作者: DeepTech深科技 浏览次数: 250
       据世界卫生组织,全世界每 5 个成年人中就有一例高血压,高血压所导致的死亡人数约占中风和心脏病死亡人数的一半,全球每年由高血压并发症导致的死亡为 940 万例。但临床中常规检测的收缩压和舒张压难以反映整个心血管系统的血压水平。外周血压容易受动脉硬度影响,而动脉硬度个体差异很大。并且,降压药物对中心和边缘动脉血压的影响有所不同。因此,传统的外周血压测量难以反映最真实的心血管情况。

       人体中心血压波形,即测量于颈动脉或主动脉的血压波形的变化包含着最为准确动态心血管状态信息, 且对于心血管疾病的预测和治疗具有最重要的临床价值。而现存的非侵入式血压测量方法仅能对浅表(埋深小于 5 毫米)外周脉管系统血压进行测量,无法测量深埋于组织处(埋深大于 3 厘米)的中心动静脉血压。


图 | 超薄高贴合性的用于人体深度组织持续性监测的超声传感器(来源:Nature Biomedical Engineering)

       为解决中心动脉血压波形的测量难题,来自加州大学圣迭戈分校(University of California, San Diego)徐升教授(通讯作者)和研究生王冲和设计了一种全新的柔性超声传感器,同时具备无损无辐射、高组织穿透力及皮肤贴合性。这一设计将医用大型超声仪器转化为与皮肤性质类似的可穿戴传感器,极好的解决了这个问题,是第一个可以无创测量中心血压的可穿戴传感器。研究成果于 2018 年 9 月 11 日以封面文章形式在 Nature Biomedical Engineering 杂志发表。其他主要作者包括:李骁时,胡鸿杰,张麟,黄振龙,林沐阳,张倬睿等。

       论文作者王冲和表示,“传统的可穿戴电子如应力、温度、光、电化学传感器只能测量表皮或浅层组织(小于 3 mm)。然而,绝大多数重要的生理信号都深埋于组织深处,难以被可穿戴传感器提取。这也是植入性电子设备存在的意义。但是这项工作把可穿戴传感器和超声技术结合,就可以兼具可穿戴性及高组织穿透力,实现人体深度组织无损长期监测。这给如今的可穿戴电子设备的探测范围增加了一个新的探测维度,即深度方向。”

        论文的通讯作者徐升在 9 月 2 日举办的科学 x 技术 x 产业鸿绎智库科创专家交流会中也有初步透露这项研究的研究方向与成果可能性。


图 | 论文通讯作者徐升(左)和第一作者王冲和(右)(来源:王冲和)


图 | 徐升在鸿绎智库科创专家交流会讲话(来源:DT 君)

       超声波是一种高频机械波,对人体组织具有极强的穿透力而无损无辐射,因此非常广泛地被用于影像学诊断。目前世界上所有医用超声传感器都仅限于长柄,硬质探头,普遍厚度超过 10 厘米,因此测量时必须由专业医师稳定地手持探头,这给持续长期性监测人体组织深处的生理信号带来困难。而且,医用超声探头的测量效果极其依赖于使用者的测量经验,操作困难。

       基于这个挑战,课题组精简了现有超声探头的结构,将原来 10 厘米厚的探头缩减 3 个数量级,最终厚度为 240 微米。阵元之间采用可拉伸导线连接,器件整体才用与皮肤柔软程度接近的柔性聚合物封装。通过转化,传统的超声探头变为一种高贴合度可拉伸的表皮电子器件,可穿戴性大大增强。

       柔性可拉伸的类肤传感器 (Stretchable electronics/Epidermal electronics) 技术作为一种平台技术,与传统医用超声技术相结合,有望将庞大的超声影像设备微缩为可穿戴的消费电子产品,为家庭医疗检测和日常诊断提供一种全新的方法。这样的发明显著提升传统超声设备的便携性,大大降低了医疗成本。同时,结合心电信号的测量结果,传感器可以计算脉搏波波速,进而对被测者的动脉硬化情况进行分析,进一步对被测者的心血管健康状况进行持续性评估。


图 | 基于柔性超声传感器的血压测量原理(来源:Nature Biomedical Engineering)

       动脉血压波形中的每个峰值和谷值代表特定的左心活动。同样,静脉血压波形的特征形态与相关的右心活动密切相关。因此,持续监测这些信号的细微变化可以为心血管疾病的诊断和预防提供重要参考。

       而目前,中心血压还“只能通过动脉静脉导管有创测量,但是这种方法只限于手术中或短期术后观察的 ICU 病人,因为创伤面积大,而且易引发感染,不能长期监测。“王冲和说。

       柔性超声传感器与皮肤表面贴合,能够在深埋的动脉和静脉部位捕获血压波形。传感器厚度仅为 240 微米,可拉伸性高达 60%。相比于传统超声探头尺寸极大程度上缩小,同时超薄的传感器与皮肤表面贴合,提供了稳定的声场耦合界面,避免了对使用者测量经验的要求。

       传感器可以从体表多个位置进行非侵入式,连续,准确的心血管系统监测,包括颈动脉,肱动脉,足背动脉等。与医学领域内的中心血压黄金测量方法——心导管术(将压力传感器植入相关的脉管系统进行测量)相比,柔性可穿戴的超声传感器极大减轻了患者的痛苦并避免了感染风险。适于在各种临床环境和日常家庭医疗场景中使用。


图 | 柔性超声器件形变与拉伸(来源:Nature Biomedical Engineering)

       通过同步传感器测量的血压波形和心电波形(ECG),可以进一步计算出脉搏波波速(PWV)。由于 PWV 与动脉僵硬度具有正相关性,所以 PWV 可以作为动脉硬化以及高血压的强预测因子。通过测量血压波形和 PWV 数值,可穿戴式柔性传感器可以对高血压以及心血管疾病患者进行全面的诊断和监护。

      王冲和表示,除传统医用血压监测之外,未来在柔性超声传感器平台上将会集成更多传统医用超声设备的功能。柔性传感器也将凭借其超薄,可拉伸和高穿戴性的特点,作为一种全新的传感平台,为医疗电子和消费电子的结合创造更多机会。

       论文作者王冲和对 DT 君说,“今后,我们还会继续开发基于人体深层组织信号的传感器。在未来,我们会结合更先进的超声技术,扩大探测范围。比如结合相控阵技术,实现超声声束任意偏转聚焦,在组织层面实现动态扫描,监测任何目标位置区域的信号,实现更高端的医疗应用。”


图 | 结合心电图 (ECG) 的脉搏波速度 (PWV) 测量与动脉硬化分析(来源:Nature Biomedical Engineering)

10Sep
2018

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