2021年11月3日功能
用灵活的多普勒超声设备监测血流速度
研究人员旨在实施一种临床策略来监测血管重建手术后的血管状况，如再狭窄和血栓形成。常规超声探头对于术后皮肤脆弱的患者来说是一种刚性设备。在一份新报告中科学的进步王丰乐教授和他在北京的工程、力学和医学研究团队介绍了一种柔性多普勒超声设备，可以利用多普勒效应连续监测深埋动脉内血液流动的绝对速度。皮肤顺应器薄而轻。Wang等人使用双波束多普勒(DBUD)方法获得了精确的流速测量。可穿戴多普勒设备可提高重建术后患者的护理质量。
心血管系统
临床医生通过检查血流在时间和空间上的变化来评估心血管系统的变化。动脉中的血液流动可以以脉动的方式变化，因为心脏在流动的地方间歇抽血速度靠近血管壁的位置比血管中心的位置低。容器特性包括它们的尺寸和遵从性对血流动力学的影响发生在他们内部。流速度参数还可判断血栓、动脉狭窄、硬化闭塞等疾病。因此，在临床实践和医疗保健中，持续监测患者的血流是必要的。在目前的医疗体系中，超声波设备包括手持式超声波仪都是用来测量血流的。在这项工作中，Wang等人提出了一个连续波多普勒超声仪实时、连续监测绝对血流量。阵列设计和双束超声多普勒方法使他们能够获得绝对速度，并消除了校准的需要。Wang等人演示了设备在超声显像和人体动脉上显示其监测血流速度的优异能力。
超声血流速度的测量是基于多普勒效应的压电换能器，该换能器将一定频率的超声波传输到皮肤中。当移动的散射体如红细胞产生回声时，接收的频率偏离发射的频率，形成a多普勒频移．这通常取决于声速、流速和超声束轴与流向换能器的流动方向之间的已知多普勒角。血流多普勒信号是血流中许多不同速度的散射体的单频信号的混合，具有相应的振幅、频率和相位。该团队在设备中使用了连续波多普勒，其中一个换能器连续传输超声波束，而相邻的换能器接收来自血液的散射回波。与脉冲波多普勒设备相比，该设备提供了简单的信号处理和简单的功能。为了设计柔性设备，Wang等人通过使用角度传感器阵列形成不透明超声束来确定超声束和散射体之间的相对运动，解决了几个关键的限制。然后他们确定了多普勒角度，通过使用双束超声多普勒方法(称为DBUD方法)来确定倾斜角。换能器显示出良好的光束指向性。研究小组确定了换能器的脉冲响应和频率响应，并注意到稳定的中心频率接近5 MHz。
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体外设备验证。(A)超声模体结构规范。(B)使用17°换能器，PFVs模拟血流的多普勒频谱变化范围为60至20 cm/s。时间表示在显示器底部的多普勒频谱的水平轴上。频率箱显示在频谱的垂直轴上，可以使用多普勒方程转换为速度值。正向和反向多普勒信号同时显示在同一频谱上，正向半轴显示向换能器的流量，反向半轴显示离开换能器的流量。光谱显示的亮度说明了样品体积内频率箱的分布。像素的亮度与在特定时间点引起频移的散射体的数量成正比。(C)用17°、20°和23°换能器在20,40和60 cm/s的三个pfv下测量。(D) DBUD方法示意图。 (E) Calculations of the Doppler angle γ by using the pairwise results of the Doppler peak shifts produced by the 17° (1), 20° (2), and 23° (3) transducers. Error bars represent ±SD (N = 5). (F) Measured PFV versus true PFV curves. Error bars represent ±SD (N = 5). (G) Schematic of the flow through a constriction followed by a rapid expansion downstream, showing the regions of turbulence. (H) Spectra of flow in the normal segment of the tube (left) and flow around the narrowing site (right). The velocity increases as the blood flows through the narrowing site (from left to right) followed by an area of flow reversal beyond the narrowing. Credit: Science Advances, 10.1126/sciadv.abi9283 -
袖带实验中血流和动脉壁运动的监测。(A)测量设置，用我们的设备和充气袖带包裹上臂。(B)测量示意图。袖带最初充气至140毫米汞柱以上以阻断动脉流动。然后，当袖带压力下降时，动脉重新开放，血流在某一时刻恢复。(C和D)右肱动脉(C)和左肱动脉(D)的多普勒频谱和袖带压力变化(白色虚线)。(B)和(C)右侧图显示了动脉壁的运动。红色小圈表示收缩压。来源:《科学进展》，10.1126/sciadv.abi9283
描述该装置并理解DBUD方法
接下来，研究小组在一个标准的超声模型上测试了该设备，该模型旨在模拟组织材料和血液，模拟真实人体组织和液体的声学特征。Wang等人测量了不同流速下模拟血流的多普勒频谱，并相应地调整了峰值流速。随着倾角和速度的增大，峰值频移也增大。为了使用多普勒效应准确测量血流速度，研究人员必须知道血流方向与超声光束之间的角度。然而，血管方向与皮肤表面之间的角度通常是不确定的;因此，为了克服这一问题，Wang等人使用压电换能器阵列用不同的倾斜角来定性地测量流速。他们推导出该方法的原理为DBUD(双束超声多普勒法)，并确定了多普勒角、流速和血管倾斜角的唯一解。然后，研究小组计算了多普勒角，并在没有校准的情况下测量了绝对速度。
模拟实验
动脉粥样硬化会导致动脉狭窄(狭窄)，导致血流阻力增加和动脉闭塞。通过动脉的血液流动通常是层流的，但当遇到狭窄时，它可以迅速增加，引起湍流在狭窄之外．通过开发体外狭窄模拟器，Wang等人模拟狭窄以捕捉不同条件下的血流特征。接下来，研究小组进行了光谱分析，以获得血管的定量信息。与恒定血流相比，血流是脉动的，并产生了混乱的多普勒频移。Wang等人获得了一个精确的测量颈动脉血流速度并将其与商用超声波机的结果进行了比较。颈动脉与脑血流并具有典型的五个特征点的频谱。Wang等人验证了相对于商用超声机的结果，并以多普勒音频的形式显示了测量结果在可听范围内也该设备连续表示血管阻力的变化，以证明其在捕捉血液流动特征方面的作用。
通过这种方式，王凤乐和同事们开发了一种灵活、轻便的多普勒超声设备，可以进行无创实时监测血流人体动脉内的速度。与临床超声机相比，该设备简单，没有复杂的成像组件。该团队采用了一种基于双波束多普勒(DBUD)方法的技术来提供样本范围内所有移动散射体的绝对速度。研究人员建议使用该设备进行监测血液流动血管重建手术后的速度。
进一步探索
Clementine M. Boutry等人，生物可降解的柔性动脉脉冲传感器，用于无线监测血液流动，自然生物医学工程(2019)。DOI: 10.1038 / s41551 - 018 - 0336 - 5
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