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无创、连续,新型血液“听诊器”研发成功!-龙8游戏国际登录

2183  2023-09-11 14:01:03
心血管疾病可谓是威胁人类生命健康的“头号杀手”,长久以来,对心血管疾病的发生和发展的预防诊断都广受研究人员的关注。近期,浙江大学机械工程学院金浩然研究员联合新加坡南洋理工大学郑元谨/陈晓东团队发表研究论文:aflexibleoptoacousticblood‘stethoscope’fornoninvasivemultiparametriccardiovascularmonitoring,以光声血液多功能成像为研究核心,提出采用光声成像对血液进行连续动态的非侵入式成像,并将光声探头设...
心血管疾病可谓是威胁人类生命健康的“头号杀手”,长久以来,对心血管疾病的发生和发展的预防诊断都广受研究人员的关注。


近期,浙江大学机械工程学院金浩然研究员联合新加坡南洋理工大学郑元谨/陈晓东团队发表研究论文:a flexible optoacoustic blood ‘stethoscope’ for noninvasive multiparametric cardiovascular monitoring,以光声血液多功能成像为研究核心,提出采用光声成像对血液进行连续动态的非侵入式成像,并将光声探头设计为柔性可贴敷于皮肤的设备,实现实时监测血液的多种参数,为心血管疾病的发生和发展提供预警和防控。

该论文在顶级综合期刊naturecommunications上发表,金浩然研究员为论文第一作者,郑元谨教授和陈晓东教授为通讯作者。


传统血液监测无法解析深层血管


血液携带着丰富的临床信息,但由于皮肤屏障,很难以无创方式获取这些信息。直接测量多种物理和化学血液动力学特性,对心血管疾病的早期检测或治疗具有重要意义。例如,连续血氧饱和度评估,尤其是对患者、老年人和婴儿的连续血氧饱和度评估,可以反映患者的氧气供应能力;血液化学成分的跟踪,例如血液中的外源性药物浓度,可以提供有意义的药代动力学信息;此外,血流动力学分析可以用于心血管疾病的诊断。


目前,血液理化信息的无创监测通常采用光学或声学传感器来实现。随着光电子技术的发展,接收血液反射光的可以被制成柔性薄膜形式,从而紧密粘附在皮肤表面。由此,可以通过光学技术监测心血管相关参数,包括血氧饱和度、葡萄糖水平、血压以及血流等。然而,由于光子在人体组织内部的快速扩散和散射,光学传感器只能统计性地读出光辐射区域的粗略生理信息,无法解析深层组织中的特定血管。


类似地,用于皮肤生理学研究的基于热传输特性的血流检测,也仅能进入浅表脉管系统。除了光学传感器之外,检测从血管传输的超声波脉冲的柔性也可以评估心血管相关的血液动力学信息,这类传感器已经被小型化并能够贴合皮肤;利用这类振动传感器可以实现单血管分辨率的深埋血管测量。


然而,采用超声波技术的振动测量,仅对血液的机械特性敏感,无法感知血液中生理生物标志物的变化。电化学等其他无创方法,可以从汗液、眼泪和唾液等体液间接推断血液生理参数。


但是,外部体液的成分仅与血液部分相关,也无法立即反映原位血液状态和血管形态。简言之,目前的血液传感器无法定位皮肤下的血管,从而提供有关分布式血液特性的直接信息。除此之外,现有方案只能提供单一的生理体征测量,限制了它们对心血管健康状况进行全面、多维度的评估。


新型血液“听诊器”被成功研发


光声成像是一种混合成像模式,结合了声学的深度穿透和光学的丰富对比度的优势,可以感知深层组织中的各种血液参数,不过,该方案仍然需要庞大且刚性的传感器探头和测试前端。

据麦姆斯咨询报道,研究人员提出了一种柔性光声血液“”(obs),具有无创连续3d多参数心血管监测功能。得益于其贴合皮肤及连续工作的特性,这种光声血液“听诊器”能够对深层血液和血管进行动态、功能分析,不像传统光声系统仅能够提供结构图像和显示。


该研究所提出光声血液“听诊器”的结构示意图,包含光学(微透镜)和声学(压电层)元件,以及与连接层、绝缘层、电极和封装层的多层集成。这种光声血液“听诊器”可以检测多种生理生命体征,例如缺氧、外源性药物衰减、血管顺应性、内皮功能障碍,通过量身定制的算法重建3d血管模型,还可以从各个方面提供对心血管功能的深刻洞察。该“听诊器”基于光声效应:它将光输送到血液中,触发血液发色团的机械振动,然后以声波的形式接收血液信号。


这种光声血液“听诊器”包括用于光传输的预钻孔的微透镜阵列,以及作为声学接收器的交替压电传感器阵列。其信息采集过程及输出类似于传统的听诊器,同时它也具有捕捉上述生命体征成像数据的独特能力。

这种柔性光声血液“听诊器”旨在提高患者在测量过程中的舒适度,这是相对现有光声系统的巨大进步。体内动物实验和人体试验表明,该“听诊器”可以无创定位血管,并连续监测与多种心血管疾病直接相关的丰富血液特征,例如血液动力学、缺氧和血管内外源性药物代谢等。


无创、连续监测是如何实现的?


连续监控的多功能个人医疗保健在下一代精密医学发展中备受关注,近年来,柔性电子技术的发展为人体生理状态信息的连续监测提供了可能,但目前的传感器在探测精细度以及表征丰富性上都难以满足心血管疾病监测需求。


obs设计集成了具有多层光学输送和声学接收的高密度互连节点,共包含25个光学和36个声学节点,每个光节点都被四个声节点包围,每个声节点周围有四个光节点,节点的跨分布设计可以有效实现光声的高性能耦合。灵活的obs旨在测量过程中提高患者舒适感,材料柔软,不会损伤皮肤,并可以紧贴手、手腕或身体的任何其他部位任意弯曲,进行连续多日监测,远超现有的光声设备。


obs是基于光声(oa)效应,将光线输入血液,触发血液团的机械振动,并接收机械振动所引发的声波。我们选择将设备称为“血液听诊器”正是因为,类似于传统听诊器,它能“倾听”声波所表征的血液特性。同时,在信息采集和输出同时,它还能将捕获的数据进行动态成像分析,加以定制算法重建3d血管模型,能检测多个生理生命体征,例如缺氧、外源剂衰减、血管依从性、内皮功能障碍等,从各个方面洞悉心血管功能的状态。


本设计还进行了大量的动物以及人体试验,包括动静脉、血液标记物的代谢、静脉弹性以及动脉fmd测量等,验证了obs在血液检测多个方面的可行性和有效性,突出了obs对心血管疾病动态检测和诊断的潜力。


未来,本研究也将专注于通过集成更密集的声学和光学元件,优化光源,改进无线传输系统等各个方面,实现对动物和人类的分布式、移动化、实时监控。此外,进一步推进当前最先进的临床实践来拓宽obs的应用,以加速移动医疗的发展,预防心血管相关疾病。



 
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