高穿透性柔性超聲換能器陣列可用于動脈血壓無創(chuàng)監(jiān)測

作為重要的生命體征之一，血壓是評估心血管疾病風(fēng)險的關(guān)鍵指標(biāo)。中心動脈壓與靶器官損害和心血管疾病有密切的病理生理聯(lián)系，動脈血壓監(jiān)測對心腦血管事件有較高的預(yù)測價值，可為人體心臟機(jī)能、動脈彈性表征等臨床診斷提供依據(jù)。近年來，隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，柔性電子器件的材料、設(shè)計和制造工藝都取得了巨大進(jìn)展。一些柔性電子設(shè)備已用于輔助治療和生命體征測量。將超聲檢測與柔性電子設(shè)備相結(jié)合，形成可穿戴式血壓檢測設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)長期的血壓測量。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對血壓監(jiān)測應(yīng)用，天津大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種具有高穿透性的小型柔性壓電超聲換能器陣列。相比于傳統(tǒng)的剛性超聲探頭，這項(xiàng)研究提出的柔性壓電超聲換能器陣列具有柔性、可貼合人體頸部的特點(diǎn)。它通過發(fā)射超聲波動態(tài)檢測人體主動脈血管壁并獲得關(guān)于血管直徑的時域信息，根據(jù)血壓和血管直徑之間的關(guān)系模型可以得到主動脈血壓波形。這項(xiàng)研究為連續(xù)無創(chuàng)監(jiān)測中心主動脈血壓提供了可行之路。相關(guān)研究成果以“用于動脈血壓監(jiān)測的柔性超聲換能器陣列”為題發(fā)表在《儀器儀表學(xué)報》期刊上。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員使用PZT-5H材料制作了兩種中心頻率分別為2.5 MHz和4.5 MHz的柔性超聲壓電換能器陣列。換能器為1 × 16線性陣列，陣元尺寸為0.8 mm × 13 mm，陣元中心間距為1 mm。換能器陣列的柔性基底和柔性電極設(shè)計，使其能夠貼合在形狀不規(guī)則的人體頸部皮膚，并進(jìn)行頸動脈血壓的連續(xù)監(jiān)測。通過相控陣電子聚焦發(fā)射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超聲波束的能量匯聚和波束偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性。

研究人員將兩種柔性超聲壓電換能器陣列在仿組織超聲體模上進(jìn)行了B超聲成像測試，B超圖像顯示中心頻率為2.5 MHz的線陣可實(shí)現(xiàn)90 mm的穿透深度，中心頻率為4.5 MHz的線陣可實(shí)現(xiàn)40 mm的穿透深度。

任何影響心輸出量和外周血管阻力的因素都會影響動脈血壓，例如每搏輸出量、外周血管阻力、大動脈壁彈性和循環(huán)血量等，因此，血壓一直處于波動狀態(tài)。反之，動脈血壓波形可以反映心臟的功能以及大動脈的機(jī)械特性和外周阻力情況。利用柔性超聲壓電換能器進(jìn)行日常血壓監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)身體中存在的危險因素。

該柔性超聲壓電換能器陣列探測血壓時可以提供收縮壓和舒張壓的相對變化，通過計算可以獲得平均動脈壓。在靜息狀態(tài)和運(yùn)動后，分別使用商用中心動脈壓檢測儀和柔性超聲壓電換能器陣列測量頸動脈血壓，兩種狀態(tài)下使用兩種方法測得的動脈血壓曲線的平均相對誤差分別為3.83%和5.47%，驗(yàn)證了該柔性超聲壓電換能器陣列用于動脈血壓波形測量結(jié)果準(zhǔn)確、醫(yī)用價值豐富。

這項(xiàng)研究提出的基于柔性超聲換能器陣列的動脈血壓監(jiān)測具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，例如它對運(yùn)動不敏感，可以無創(chuàng)地、不閉塞地進(jìn)行血壓的連續(xù)檢測。未來，通過結(jié)合柔性超聲換能器陣列與無線通信技術(shù)，將進(jìn)一步提高設(shè)備的便攜性，從而在醫(yī)院和家庭環(huán)境中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

審核編輯：彭菁