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血管重建手術(shù)后形成的血栓和血管狹窄可能會(huì)導(dǎo)致中風(fēng)等并發(fā)癥，目前缺乏持續(xù)監(jiān)測(cè)血管狀況的臨床手段。傳統(tǒng)的超聲探頭是剛性的，這對(duì)于術(shù)后皮膚脆弱的患者而言是十分不利的。而基于光體積成像或熱分析的傳統(tǒng)技術(shù)只能提供血管流量的相對(duì)變化，而且探測(cè)血管的深度較淺。

為解決該問(wèn)題，受柔性電子設(shè)備的啟發(fā)，來(lái)自清華大學(xué)的馮雪教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種基于多普勒效應(yīng)的柔性多普勒超聲裝置，它可用于連續(xù)監(jiān)測(cè)人體深處動(dòng)脈的絕對(duì)血流速度。該設(shè)備很薄(1毫米)、重量輕(0.75克)而且容易與皮膚貼合。該裝置采用雙波束多普勒法，從而避免了多普勒角對(duì)測(cè)速的影響。在超聲模型和人體上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明該裝置可以準(zhǔn)確地測(cè)量血液的流速。這種可穿戴的多普勒裝置有助于提高血管重建手術(shù)后患者的護(hù)理質(zhì)量。相關(guān)工作以題為“Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity”的研究性文章在《Science Advances》上發(fā)表。

多普勒超聲儀原理

超聲波測(cè)量血流速度的原理是基于多普勒效應(yīng)。本文設(shè)計(jì)的裝置中的壓電換能器可以將頻率為f0的超聲波傳輸?shù)狡つw。當(dāng)接收到來(lái)自運(yùn)動(dòng)的散射體(例如紅細(xì)胞)的回波時(shí)，接收頻率fR與發(fā)射頻率具有一定的偏差，這個(gè)就是多普勒頻移FD. 血流的多普勒信號(hào)是血流中具有不同速度的散射體的多個(gè)單頻信號(hào)的混合信號(hào)，其中每一個(gè)都有特定的振幅、頻率和相位(圖1C)。在提取多普勒信號(hào)之前，需要對(duì)實(shí)際接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。而設(shè)計(jì)柔性多普勒超聲裝置的關(guān)鍵問(wèn)題是超聲多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生和多普勒角度θ的確定。為了解決第一個(gè)問(wèn)題，本文使用傾斜的換能器陣列產(chǎn)生傾斜的超聲波束，使超聲波束和散射體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)問(wèn)題由DBUD方法解決。根據(jù)這一原理，本文設(shè)計(jì)了一種柔性多普勒超聲裝置，如圖1B所示。

圖1. 多普勒超聲儀原理與設(shè)計(jì)示意圖

多普勒超聲儀的特性

使用不同傾角的壓電換能器是為了避免醫(yī)生去調(diào)整病人各個(gè)部位的角度，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的超聲探頭檢查要頻繁調(diào)整角度，該裝置還能夠克服多普勒角度對(duì)使用DBUD方法測(cè)量速度的影響。在考慮確定傾斜角θ時(shí)，首先要注意，由于Ecoflex基材和皮膚之間的聲阻抗不匹配，超聲波將在界面上發(fā)生折射，因此，注入血管γ的超聲束的角度要大于θ(圖2A)。傾角越大，入射波的能量損失越大(圖2B)。另一方面，傾角越小，多普勒頻移越小。本文利用有限元分析軟件(COMSOL MultiPhysical 5.0)計(jì)算了該換能器傾角為20°時(shí)的波束方向圖。結(jié)果表明，該換能器具有良好的束流方向性(圖2C)。對(duì)于附著在可變形皮膚表面的柔性超聲裝置來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的性能是非常重要的。為此，本文測(cè)量了換能器彎曲500次前后的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)(圖2D和E)。結(jié)果表明，其彎曲前后性能保持不變，中心頻率穩(wěn)定在5MHz左右。

圖2.裝置的特性和性能。

體外裝置特性的研究

該裝置首先在標(biāo)準(zhǔn)超聲波模型上進(jìn)行了測(cè)試。本文使用的超聲體模型是Optimizer 1425A (圖3A)。圖3B顯示了不同速度下模擬血液流動(dòng)的多普勒頻譜。在12s內(nèi)，分別將峰值流速(PFV)調(diào)整為60、40、20 cm/s。一般情況下，由于摩擦力的作用，管壁附近的流速比中心附近的流速要慢，因此產(chǎn)生了大大小小的多普勒頻移的混合信號(hào)。如圖3B所示，從60 cm/s到20 cm/s，峰值多普勒頻移減小，頻移范圍減小，多普勒信號(hào)強(qiáng)度增大。這些結(jié)果表明，當(dāng)散射體的速度范圍減小時(shí)，具有相似速度的散射體的數(shù)量增加。本文還利用改進(jìn)的幾何方法計(jì)算了三種傾角的換能器在三種速度下產(chǎn)生的峰值多普勒頻移。隨著傾角和速度的增加，峰值頻移增大，這也可以從多普勒方程中得出結(jié)論(圖3C)。 另一方面，利用不同傾角的壓電換能器陣列，可以克服多普勒角對(duì)流速測(cè)量的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)流速的定量測(cè)量。這種方法的原理稱為DBUD，如圖3D所示。

圖3.體外設(shè)備驗(yàn)證。

血流速度的監(jiān)測(cè)

頸動(dòng)脈位于皮膚表面下約25 mm處，它將從心臟泵送的血液輸送到大腦，因此與腦血流量呈正相關(guān)。本文測(cè)量了一個(gè)典型的頸動(dòng)脈血流頻譜，顯示了五個(gè)特征點(diǎn)(圖4A)。還使用EPIQ 7超聲機(jī)(飛利浦超聲)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示出顯著的一致性(圖4B)。將頻譜計(jì)算的血流參數(shù)(PSV、EDV、TAPV、RI)與商用超聲儀測(cè)得的血流參數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果有力地證明了本文的裝置測(cè)量血流量的準(zhǔn)確性(圖4C)。除了頻譜之外，測(cè)量結(jié)果還可以以多普勒音頻的形式顯示，因?yàn)槎嗥绽疹l移在人耳可聽(tīng)范圍內(nèi)(從20 Hz到20 kHz)(圖4D)。

圖4.血流速度監(jiān)測(cè)。

袖帶實(shí)驗(yàn)

本文使用了一種柔性多普勒裝置來(lái)監(jiān)測(cè)肱動(dòng)脈從完全閉合狀態(tài)到開(kāi)放狀態(tài)的特性。測(cè)量裝置的示意圖如圖5A所示。上臂上纏著一個(gè)充氣袖口。然后充氣遠(yuǎn)高于140毫米汞柱以阻斷動(dòng)脈血流，然后慢慢放氣。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，動(dòng)脈重新開(kāi)放，血流恢復(fù)(圖5B)。當(dāng)袖帶壓力較高時(shí)，血管關(guān)閉，沒(méi)有檢測(cè)到多普勒頻移信號(hào)。隨著袖帶壓力的降低，在一定壓力水平突然出現(xiàn)移位信號(hào)，也就是出現(xiàn)明顯的血流信號(hào)，并且移位的峰值逐漸增大(圖5C、D左側(cè))。隨著血管的開(kāi)放，血流逐漸恢復(fù)，血管壁的峰值頻移減小。動(dòng)脈開(kāi)放時(shí)的信號(hào)比血流信號(hào)更明顯，但閉合信號(hào)由于其低頻移而很難被檢測(cè)到，這可以通過(guò)增加壓電換能器的發(fā)射頻率或減小其傾斜角來(lái)解決(因?yàn)閯?dòng)脈壁垂直于血流方向移動(dòng))。

圖5.袖帶實(shí)驗(yàn)中血流和動(dòng)脈壁運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

小結(jié)：這種靈活、輕便的多普勒超聲設(shè)備支持對(duì)人體動(dòng)脈血流速度的無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)和連續(xù)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的臨床超聲儀相比，該設(shè)備避免了復(fù)雜的成像(多普勒角度測(cè)量)，無(wú)需要人員培訓(xùn)，施加給皮膚的壓力小，因此可以用于長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。與其他血流監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，它可以提供樣本范圍內(nèi)所有運(yùn)動(dòng)散射體的絕對(duì)速度，而不需要使用DBUD方法進(jìn)行校準(zhǔn)。材料成分和微加工過(guò)程的設(shè)計(jì)確保了它可以附著在彎曲的皮膚表面上，并在無(wú)偶聯(lián)劑的情況下提供了較好的信號(hào)質(zhì)量。該設(shè)備可用于血管重建手術(shù)后的血流速度監(jiān)測(cè)或一些慢性血管疾病的預(yù)防性家庭護(hù)理檢查，如糖尿病足等等。