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頸動脈（mò）在高血壓、高血（xuè）脂等因素作用（yòng）下常會（huì）出現硬化而形成粥樣（yàng）斑塊，極易引發腦卒（zú）中等危險情況。在臨床醫學上，準確判斷管腔狹窄程度是預警斑塊脫落（luò）和防治腦卒中最重（chóng）要的方法（fǎ）之一，但當前可持續監測血管（guǎn）狹窄狀況的技術手段十分缺乏。基於光容積描記（jì）術或熱分析的技（jì）術（shù）隻能提供相（xiàng）對的流量變化，探測深度很淺，而傳統的超聲（shēng）設備體積大、材質剛（gāng）性。超聲器件的小型（xíng）化、柔性化是長期（qī）的發展趨勢。開發一款兼具高性能與可（kě）拉伸性、能夠監測人體血流速度的柔性（xìng）超聲電子器件是潛在解決方案，也對醫（yī）工交叉學科領域具（jù）有重要的意義。



10月27日，清華大學航天航空學院（yuàn）、柔（róu）性電子技術研究中心馮雪教授課題（tí）組與北京協和醫院楊愛明教授團隊合作在 Science Advances 期（qī）刊上發表了題為《用於（yú）血流速（sù）度（dù）監（jiān）測的柔性超聲多普（pǔ）勒器件》（“Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity”）的（de）論文，報（bào）道了一種可實時連續監測血管血（xuè）液流速的柔性多普勒超聲電（diàn）子器件。該器件（jiàn）厚度僅1 mm，重0.75 g，可輕柔貼附於皮膚表麵，並達到和臨床大型超聲設備相近的測量精度。該柔性超聲器件技術不但解決了在體表對（duì）深度血流信（xìn）號（hào）長（zhǎng）期監（jiān）測的難題，還可以與胃腸鏡、大腦等異型曲麵自然集成，為（wéi）複雜（zá）挑（tiāo）戰條件下的超聲成像和生命體征監測提供了（le）一條新途徑，在（zài）血栓形成、血（xuè）管狹窄、卒（zú）中防治（zhì）和超聲內鏡等場景有重大應用潛力。
 


圖1. 柔性多普勒超聲電子器件原理及結構（gòu）示意

心血管疾病是全球第一大死因。世界衛生（shēng）組織預計到2030 年將約2360萬人死於（yú）心血管（guǎn）疾病，其（qí）中大（dà）部分和心髒疾病或中風有關。血流（liú）速度參數可以提（tí）示許多心血管（guǎn）疾病，如血栓（shuān）、狹窄、硬化等，在一些（xiē）疾病的診斷和預後上長期連續監測血流速（sù）度很有意義。例如，頸動脈在高血壓、高（gāo）血脂等因素（sù）作用下往往會（huì）出現一定程（chéng）度的硬化，形成（chéng）粥樣硬（yìng）化斑塊，容易引發（fā）腦卒中危險。無論是腦卒中預防或預後，判斷管腔狹窄程度都是（shì）最重要（yào）的標準（zhǔn）之一，精準及時的早期識別顯得（dé）尤為重要。然（rán）而臨床一般隻會在中風（fēng）症狀出現的時候使用大型超聲設（shè）備檢查血管和血流，使得額外手術幹預（yù）不可避免。目前臨床常用測血（xuè）流的設備（bèi）是（shì）集B 超和多普勒功能為一（yī）體的超聲係統。然而，其硬件設備中包含硬質笨重的探頭，這（zhè）些剛性探頭固定困難，無（wú）法（fǎ）與現實物體中普遍存在的不（bú）規則的（de）非平麵表麵進行良好接觸耦合。此外，使用硬質探頭檢查（chá）會對皮膚產生壓力，在幾何不連續區域容易（yì）出現應力集中（zhōng），不能保護受傷的（de）組織（zhī）。同時，使用超聲探頭對操作醫（yī）師的專業要（yào）求很高，難以在居（jū）家等（děng）環（huán）境中持續對健康（kāng）狀況進行測量。
針對以上問題，馮雪課題組（zǔ）研發（fā）了（le）一（yī）種柔性壓電換能器陣列，通過集成1-3型壓電複合材料（liào）、蛇形導線和低模量彈性矽膠，使得器件（jiàn）具備柔（róu）性與可拉（lā）伸性，可共形貼附於皮膚表麵，與（yǔ）皮膚聲耦合良好，克服了現（xiàn）有超聲（shēng）器件無拉伸性、無法與皮膚貼合、需要耦合劑等（děng）難題。多陣元設計有助於盡（jìn）可能覆（fù）蓋待檢測的血管，確保超聲束穿過血流，減少手動操作，自動化尋找位置。超（chāo）聲（shēng）波發射頻率影響探測深度及多普勒散射強度，研究者采（cǎi）用5 MHz壓電換（huàn）能器，以實現對頸動脈血流具有最佳探測信噪（zào）比。
 


圖2. 雙聲束多普勒方法和測試結果

為了利用（yòng）多（duō）普勒效應測血流速（sù）度，聲束方向不能和血流方向垂直。因此壓電換（huàn）能器被設計（jì）為傾斜放置在彈（dàn）性基底上，與基底麵具有一定的夾角，以形成斜發射（接（jiē）收）的聲束，與運動的血（xuè）流中散射（shè）體產（chǎn）生多普勒效應。針對多普勒角未知難題，研究者采用雙聲束多普勒（lè）方法，實現對（duì）血流速度矢量與聲束夾角的估計，對流速定量測量，這使得在血流速度測試前無需進行校準，提供血管截麵內（nèi）血流速度的絕對值。
 

圖3. 器件在頸動脈及一些外周動脈上的測試結果，並與商用彩超對比

人體動脈血流呈搏動性，在超聲作用下隨心動周期而產生不斷變化的混雜的多普勒頻（pín）率。頻譜分析為血管提供重要的定量信息（xī）。臨床實驗表明，柔（róu）性多（duō）普勒超聲器件準確（què）的捕（bǔ）捉到誌（zhì）願者頸動脈血流特征（收縮期峰值流速、舒張末期流速等）。這些血流特征（zhēng）可反映血流阻（zǔ）力信息。同時，器件在（zài）中心動脈和外周動（dòng）脈上取得了與商用（yòng）彩超設備一致的結果。實驗證實（shí）超聲的（de）穿透性能使器件能夠檢測到至（zhì）少25 mm深的動脈血流，遠超過以光、熱為技術的傳統柔性電子器（qì）件探測深（shēn）度。器件極低的重量使得其（qí）相比於傳統（tǒng）探頭，對皮膚的壓強降低（dī）了2個數量級（僅約15 Pa），避免了可能對患者造成的（de）傷害。

血流波形包含了年齡、性別、身高、體重等影（yǐng）響心血（xuè）管健康因素的豐富信息。生理（lǐ）和病理狀況的改變導致外周阻力的變化，也會改變流動波形。通過（guò）對血流速度的長期連續監測可洞察血管中血流動力學的改變，以評估血管（guǎn）健康。研究（jiū）者連續（xù）測量了誌願者適量運動後（hòu）橈動（dòng）脈血流變化情（qíng）況。血流從（cóng）低阻力單（dān）相波形逐漸過渡到高阻（zǔ）力三相波，收縮期峰值流速逐漸降低，最終出現反向血流（liú）。實驗證實了柔性器件可以連續捕捉到血流速度和血流阻力的（de）變化，無需中途校準，其在提示血管疾病等領域具有巨大潛力。
 

圖4. 運動後連續測量橈動脈（mò）血流波形的變化

清華大學航院、柔性電子技術研究中心博士生王峰樂為文章第一作者，浙（zhè）江清華柔（róu）性電子技術研究院副研究員付際、北京協和醫院副主任醫（yī）師（shī）馮雲路為該工作提供了重要（yào）的設計和實（shí）驗支持，馮雪教授是（shì）論文通訊作者。北京協和醫（yī）院楊愛明教授團（tuán）隊協（xié）助開展了項目的臨（lín）床試驗，並推動該技術在消（xiāo）化道出血診療（liáo）和超聲（shēng）內鏡等臨（lín）床場景的應用。該研究工作得到了國家自然（rán）科（kē）學基金（jīn）項目的資助。

*中國科協科學（xué）技術傳播中心支持
知社學術圈2021中國科（kē）技新銳推廣計劃

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論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9283

F. Wang, P. Jin, Y. Feng, J. Fu, P. Wang, X. Liu, Y. Zhang, Y. Ma, Y. Yang, A. Yang, X. Feng, Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity. Sci. Adv. 7, eabi9283 (2021)

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