清華新聞網(wǎng)10月29日電 心血管疾病是全球第一大死因，據(jù)世界衛(wèi)生組織預(yù)測(cè)，到2030年將有約2360萬(wàn)人死于心血管疾病，長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)血流速度對(duì)心血管疾病防治具有重要意義。例如，頸動(dòng)脈在高血壓、高血脂等因素作用下往往會(huì)出現(xiàn)一定程度的硬化而形成硬化斑塊，容易引發(fā)腦卒中危險(xiǎn)，準(zhǔn)確判斷管腔狹窄程度是預(yù)警斑塊脫落和防治腦卒中最重要的方法之一，但當(dāng)前可持續(xù)監(jiān)測(cè)血管狹窄狀況的技術(shù)手段十分缺乏。基于光容積描記術(shù)或熱分析的技術(shù)只能提供相對(duì)的流量變化，探測(cè)深度很淺；而傳統(tǒng)的超聲設(shè)備體積大、材質(zhì)剛性，存在固定困難、接觸變形大、無(wú)法與人體表面良好耦合和難以連續(xù)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)。
柔性多普勒超聲電子器件原理及結(jié)構(gòu)示意
針對(duì)以上問(wèn)題，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組研發(fā)了一種柔性壓電換能器陣列，通過(guò)集成1-3型壓電復(fù)合材料、蛇形導(dǎo)線(xiàn)和低模量彈性硅膠，使得器件具備柔性與可拉伸性，可共形貼附于皮膚表面，與皮膚聲耦合良好，克服了現(xiàn)有超聲器件無(wú)拉伸性、無(wú)法與皮膚貼合、需要耦合劑等難題。多陣元設(shè)計(jì)有助于盡可能覆蓋待檢測(cè)的血管，確保超聲束穿過(guò)血流，減少手動(dòng)操作，自動(dòng)化尋找位置。超聲波發(fā)射頻率影響探測(cè)深度及多普勒散射強(qiáng)度，研究者采用5MHz壓電換能器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頸動(dòng)脈血流具有最佳探測(cè)信噪比。
雙聲束多普勒方法和測(cè)試結(jié)果
為了解決人體運(yùn)動(dòng)對(duì)多普勒發(fā)射角度帶來(lái)干擾等難題，研究者采用雙聲束多普勒方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)血流速度矢量與聲束夾角的估計(jì)，對(duì)流速定量測(cè)量，這使得在血流速度測(cè)試前無(wú)需進(jìn)行校準(zhǔn)，提供血管截面內(nèi)血流速度的絕對(duì)值。臨床實(shí)驗(yàn)表明，柔性多普勒超聲器件準(zhǔn)確地捕捉到志愿者頸動(dòng)脈血流特征，其準(zhǔn)確性與商用彩超設(shè)備一致，并且可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，無(wú)需中途校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)超聲的穿透性能使器件能夠檢測(cè)到至少25mm深的動(dòng)脈血流，遠(yuǎn)超過(guò)以光、熱為技術(shù)的傳統(tǒng)柔性電子器件探測(cè)深度。器件極低的重量使得其相比于傳統(tǒng)探頭，對(duì)皮膚的壓強(qiáng)降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)（僅約15Pa），避免了可能對(duì)患者造成的傷害，揭示了柔性器件在血管疾病等領(lǐng)域的巨大潛力。
柔性超聲器件的人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果
10月27日，馮雪課題組與北京協(xié)和醫(yī)院楊?lèi)?ài)明教授團(tuán)隊(duì)合作在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上發(fā)表了題為“用于血流速度監(jiān)測(cè)的柔性超聲多普勒器件”（Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity）的論文，報(bào)道了一種可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)血管血液流速的柔性多普勒超聲電子器件。該器件厚度僅1mm，重0.75g，可輕柔貼附于皮膚表面，并達(dá)到和臨床大型超聲設(shè)備相近的測(cè)量精度。該柔性超聲器件技術(shù)不但解決了在體表對(duì)深度血流信號(hào)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的難題，還可以與胃腸鏡、大腦等異型曲面自然集成，為復(fù)雜挑戰(zhàn)條件下的超聲成像和生命體征監(jiān)測(cè)提供了一條新途徑，在血栓形成、血管狹窄、卒中防治和超聲內(nèi)鏡等場(chǎng)景有重大應(yīng)用潛力。
清華大學(xué)航院博士生王峰樂(lè)為文章第一作者，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院副研究員付際、北京協(xié)和醫(yī)院副主任醫(yī)師馮云路為該工作提供了重要的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)支持，馮雪是論文通訊作者，楊?lèi)?ài)明團(tuán)隊(duì)協(xié)助開(kāi)展了項(xiàng)目的臨床試驗(yàn)。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9283
供稿：航天航空學(xué)院
標(biāo)題圖設(shè)計(jì)：雨田
編輯：陳曉艷
審核：田姬熔
