웨어러블 심장초음파 영상기

Nature 613권, 667~675페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

심장 기능의 지속적인 영상화는 장기적인 심혈관 건강 평가, 급성 심장 기능 장애의 감지, 중증 환자 또는 수술 환자의 임상 관리에 매우 바람직합니다1,2,3,4. 그러나 심장 기능을 이미지화하기 위한 기존의 비침습적 접근 방식은 장치의 부피로 인해 지속적인 측정을 제공할 수 없으며5,6,7,8,9,10,11 기존 웨어러블 심장 장치는 피부의 신호만 캡처할 수 있습니다12,13,14, 15,16. 여기에서는 연속적이고 실시간이며 직접적인 심장 기능 평가를 위한 웨어러블 초음파 장치를 보고합니다. 우리는 장치와 인간 피부 사이의 기계적 결합을 개선하여 움직이는 동안 다양한 관점에서 좌심실을 검사할 수 있도록 하는 장치 설계 및 재료 제조의 혁신을 도입합니다. 또한 연속 영상 기록에서 자동으로 좌심실 용적을 추출하여 일회박출량, 심박출량, 박출률 등 주요 심장 성능 지표의 파형을 생성하는 딥러닝 모델을 개발합니다. 이 기술을 사용하면 다양한 환경에서 정확도가 크게 향상된 심장 성능의 동적 웨어러블 모니터링이 가능합니다.

이 장치는 분해도(그림 1a, 왼쪽, 확장 데이터 그림 1 및 보충 토론 3)에서 볼 수 있듯이 압전 변환기 어레이, 액체 금속 복합 전극 및 삼중 블록 공중 합체 캡슐화를 특징으로 합니다. 이 장치는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)을 기반으로 제작되었습니다. 심장에 대한 포괄적인 보기를 제공하기 위해 표준 임상 실습은 초음파 프로브17를 회전시켜 두 개의 직교 방향으로 이미지를 촬영하는 것입니다. 수동 회전의 필요성을 없애기 위해 직교 구성으로 장치를 설계했습니다 (그림 1a, 오른쪽 및 보충 비디오 1 및 2). 각 변환기 요소는 이방성 1-3 압전 복합재와 은-에폭시 기반 지지층으로 구성되었습니다. 침투 깊이와 공간 해상도의 균형을 맞추기 위해 심부 조직 이미징을 위해 중심 공진 주파수 3MHz를 선택했습니다(보조 그림 1). 어레이 피치는 0.4mm(즉, 0.78 초음파 파장)로 측면 해상도를 향상시키고 격자 로브를 줄입니다.

a, 주요 구성 요소(왼쪽)와 작동 원리(오른쪽)가 포함된 웨어러블 이미저의 분해도를 보여주는 도식. b, 일축 인장 변형률의 함수로서 액체 금속 복합 전극의 저항. 전극은 실패 없이 약 750%까지 늘어날 수 있습니다. y축은 R/R0으로 정의된 상대 저항입니다. 여기서 R0 및 R은 각각 0% 변형률과 주어진 변형률에서 측정된 저항입니다. 삽입된 그림은 폭이 약 30μm 정도로 작은 액체 금속 복합 전극의 주사 전자 현미경 사진입니다. 스케일 바, 50μm. c, 0%에서 100% 단축 인장 변형률 사이의 전극 사이클링 성능은 전극의 견고성을 보여줍니다. 삽입된 그림은 전극의 주기적 스트레칭과 이완 동안 그래프의 확대된 특징을 보여줍니다. d, 변환기 요소와 SEBS 또는 액체 금속 복합 전극 사이의 결합의 랩 전단 강도. 데이터는 n = 3 테스트의 평균 및 표준편차입니다. 삽입된 그림은 랩 전단 테스트의 개략적인 설정입니다. e, 110% 이축 신장 하에서 전체 장치의 유한 요소 분석. f, 현상 가능한 표면에서 구부리고, 현상 불가능한 표면을 감싸고, 찌르고 비틀었을 때 웨어러블 이미저의 기계적 컴플라이언스를 보여주는 광학 이미지. 스케일 바, 5mm.

이러한 소형 어레이의 각 요소를 개별적으로 처리하기 위해 공융 갈륨-인듐 액체 금속과 SEBS21의 복합재를 기반으로 고밀도 다층 신축성 전극을 만들었습니다. 복합재는 전도성이 뛰어나고 패턴화하기 쉽습니다(그림 1b, c, 보충 그림 2-4 및 방법). 랩 전단 측정에 따르면 계면 결합 강도는 변환기 요소와 SEBS 기판 사이에 약 250kPa이고 변환기 요소와 복합 전극 사이에 약 236kPa입니다(그림 1d 및 보충 그림 5). 일반적인 상업용 접착제22(보충 표 2). 생성된 전극의 두께는 약 8μm에 불과합니다(보조 그림 6 및 7). 복합재로 만들어진 전자기 차폐는 주변 전자기파의 간섭을 완화하여 초음파 무선 주파수 신호의 노이즈를 줄이고 이미지 품질을 향상시킬 수 있습니다(보충 그림 8 및 보충 토론 4). 이 장치는 높은 전기 기계 결합 계수, 낮은 유전 손실, 넓은 대역폭 및 무시할 수 있는 누화(보충 그림 1 및 방법)에 의해 결정되는 우수한 전기 기계 특성을 가지고 있습니다. 전체 장치는 인간 피부 계수와 비교할 수 있는 921kPa의 낮은 영률을 갖습니다(보조 그림 9). 이 장치는 최대 약 110%의 높은 신축성을 나타내며(그림 1e 및 보충 그림 10) 다양한 변형을 견딜 수 있습니다(그림 1f). 인간 피부의 일반적인 변형이 20% 이내라는 점을 고려하면(참조 19), 이러한 기계적 특성을 통해 웨어러블 이미저는 넓은 영역에 걸쳐 피부와 긴밀한 접촉을 유지할 수 있으며 이는 견고한 초음파 장치에서는 어려운 일입니다.