柔软的皮肤贴片可以为中风和心脏病提供早期预警

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加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种柔软而有弹性的超声波贴片，可以戴在皮肤上，监测人体内深层大动脉和静脉的血液流动。

了解患者血管内血液流动的速度和数量非常重要，因为它可以帮助临床医生诊断各种心血管疾病，包括血凝块;心脏瓣膜问题;四肢循环不良;或者动脉堵塞可能导致中风或心脏病发作。

加州大学圣地亚哥分校开发的这种新型超声波贴片可以持续监测血液流动，同时实时监测血压和心脏功能。佩戴这种设备可以更容易地在早期发现心血管问题。

由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授徐晟领导的团队在一份报告中报告了这一补丁纸七月十六日出版于自然生物医学工程．

这种贴片可以贴在颈部或胸部。这种贴片的特别之处在于，它可以以非侵入性的方式感知和测量体内14厘米深的心血管信号。而且它的准确率很高。

颈部佩戴的超声波贴片。图片由自然生物医学工程提供

徐说:“这种类型的可穿戴设备可以让你更全面、更准确地了解深层组织和心脏、大脑等关键器官的情况，而这些都来自皮肤表面。”

“对于可穿戴电子设备来说，在这样的深度感知信号是极具挑战性的。然而，这是身体最关键的信号和中央器官被埋藏的地方，”徐氏实验室前纳米工程研究生、该研究的共同第一作者王崇和说。“我们设计了一种可穿戴设备，可以穿透如此深的组织深度，并在皮肤深处感知这些重要信号。这项技术可以为医疗保健领域提供新的见解。”

该贴片的另一个创新特点是，超声束可以以不同的角度倾斜，并引导到贴片正下方的身体部位。

徐解释说，这是可穿戴设备领域的第一个，因为现有的可穿戴传感器通常只监控它们正下方的区域。“如果你想在不同的位置感知信号，你必须将传感器移动到那个位置。有了这个补丁，我们可以探测比设备占地面积更宽的区域。这将带来很多机会。”

工作原理

这种贴片由一层柔韧的、可拉伸的聚合物组成，可以附着在皮肤上。贴片上嵌有一组毫米大小的超声波换能器。每一个都由一台计算机单独控制，这种阵列被称为超声相控阵。这是该技术的关键部分，因为它赋予了补丁更深更宽的能力。

相控阵提供两种主要的操作模式。在一种模式下，所有的换能器可以同步一起发射超声波，从而产生高强度的超声波束，聚焦在身体深处14厘米的一个点上。在另一种模式下，换能器可以被编程为不同步传输，从而产生可以转向不同角度的超声波光束。

“通过相控阵技术，我们可以以我们想要的方式操纵超声波束，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生林慕阳(Muyang Lin)说，他也是这项研究的共同第一作者。“这使我们的设备具有多种功能:以高分辨率监测中央器官和血液流动。仅使用一个传感器是不可能实现的。”

相控阵由12 × 12的超声波换能器组成。当电流流过换能器时，它们振动并发出超声波，穿过皮肤并深入身体。当超声波穿透主要血管时，它们会遇到内部流动的红细胞的运动。这种运动改变或改变了超声波反射回斑块的方式，这种效应被称为多普勒频移。这种反射信号的变化被贴片捕捉到，并用于创建血流的视觉记录。同样的机制也可以用来创造心脏壁的动态图像。

临床领域的潜在游戏规则改变者

对许多人来说，血液流量并不是定期去看医生时可以测量的。通常在患者出现心血管问题的迹象或患者处于高风险时进行评估。

标准的血流检查本身既费时又费力。训练有素的技术人员将手持式超声波探头压在患者皮肤上，从一个区域移动到另一个区域，直到它直接位于主要血管上方。这可能听起来很简单，但测试和技术人员的结果可能会有所不同。

加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程博士生、该研究的合著者赛周说，由于这种贴片使用简单，它可以解决这些问题。“只要把它贴在皮肤上，然后读取信号。它不依赖于操作人员，也不会给技术人员、临床医生或患者带来额外的工作或负担。”“在未来，患者可以戴上这样的东西来做点护理或持续的家庭监测。”

在测试中，这种贴片的效果与临床使用的商用超声波探头一样好。它准确地记录了颈动脉等主要血管的血流量，颈动脉是颈部向大脑供血的动脉。有能力监测这种流动的变化，例如，有助于在症状出现之前确定一个人是否有中风的风险。

超声波贴片连接到完整的实验装置上。

研究人员指出，这种贴片在临床应用前还有很长的路要走。目前，它需要连接到电源和台式机器才能工作。徐的团队正致力于将所有电子设备集成到贴片上，使其无线化。

:“可拉伸超声相控阵连续监测深部组织血流动力学合著者包括齐白燕*，张卓瑞*，Mitsutoshi Makihata，刘博宇，黄义希，胡宏杰，顾岳，陈一木，雷玉生，Chien和Erik Kistler，加州大学圣地亚哥分校;延世大学、韩国科学技术研究院李泰允;以及韩国大邱庆北科学技术学院的Kyung-In Jang。

这些作者的贡献相同

这项工作得到了美国国立卫生研究院(grant 1R21EB027303-01A1)的支持可穿戴传感器中心加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院。