ウェアラブル心臓超音波画像装置

Nature volume 613、pages 667–675 (2023)この記事を引用

心機能の連続画像化は、長期的な心血管の健康状態の評価、急性心機能不全の検出、重症患者または手術患者の臨床管理にとって非常に望ましい1、2、3、4。 しかし、心機能を画像化するための従来の非侵襲的アプローチでは、デバイスがかさばるため連続測定を行うことができず5、6、7、8、9、10、11、また既存のウェアラブル心臓デバイスは皮膚上の信号しか捕捉できません12、13、14。 15、16。 ここでは、継続的、リアルタイム、直接的な心機能評価のためのウェアラブル超音波デバイスを報告します。 私たちは、デバイスと人間の皮膚の間の機械的結合を改善するデバイス設計と材料製造における革新を導入し、動作中にさまざまな視点から左心室を検査できるようにします。 また、連続画像記録から左心室容積を自動的に抽出し、一回拍出量、心拍出量、駆出率などの主要な心臓性能指標の波形を生成する深層学習モデルも開発しています。 この技術により、さまざまな環境において精度が大幅に向上した心臓パフォーマンスの動的ウェアラブルモニタリングが可能になります。

このデバイスは、分解図 (図 1a、左、拡張データ図 1、および補足説明 3) に示されているように、圧電トランスデューサー アレイ、液体金属複合電極、およびトリブロック コポリマー カプセル化を特徴としています。 このデバイスは、スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン (SEBS) 上に構築されています。 心臓の包括的なビューを提供するために、標準的な臨床実践では、超音波プローブを回転させて 2 つの直交する方向で心臓を画像化します 17。 手動回転の必要性を排除するために、直交構成でデバイスを設計しました（図1a、右および補足ビデオ1および2）。 各トランスデューサ要素は、異方性 1-3 圧電複合材料と銀エポキシベースの裏打ち層で構成されていました 18、19。 浸透深さと空間分解能のバランスを取るために、深部組織イメージング用に 3 MHz の中心共振周波数を選択しました 19 (補足図 1)。 アレイのピッチは 0.4 mm (つまり、超音波の波長 0.78 倍) で、これにより横方向の解像度が向上し、グレーティング ローブが減少します 20。

a. ウェアラブル イメージャの分解図を示す概略図。主要なコンポーネントにラベルが付けられ (左)、その動作原理 (右) が示されています。 b. 一軸引張ひずみの関数としての液体金属複合電極の抵抗。 電極は約 750% まで故障することなく伸ばすことができます。 y 軸は R/R0 として定義される相対抵抗で、R0 と R はそれぞれ 0% ひずみと特定のひずみで測定された抵抗です。 挿入図は、幅が約 30 μm ほどの液体金属複合電極の走査型電子顕微鏡写真です。 スケールバー、50μm。 c. 0% ～ 100% の一軸引張ひずみにおける電極のサイクル性能。電極の堅牢性を示します。 挿入図は、電極の周期的な伸長と弛緩中のグラフの拡大された特徴を示しています。 d、トランスデューサ要素とSEBSまたは液体金属複合電極の間の接合の重ねせん断強度。 データは、n = 3 回のテストの平均値と標準偏差です。 挿入図はラップせん断試験の概略構成です。 e. 110% 二軸延伸下のデバイス全体の有限要素解析。 f、現像可能な表面上で曲げたり、非現像可能な表面に巻き付けたり、突き刺したりねじったりしたときのウェアラブルイメージャの機械的コンプライアンスを示す光学画像。 スケールバー、5 mm。

このようなコンパクトなアレイ内の各要素に個別に対応するために、ガリウム - インジウム共晶液体金属と SEBS21 の複合材料に基づいて、高密度多層伸縮性電極を作成しました。 複合材料は導電性が高く、パターン化が容易です（図1b、c、補足図2〜4および方法）。 ラップせん断測定によると、界面結合強度はトランスデューサー要素とSEBS基板の間で約250 kPa、トランスデューサー要素と複合電極の間は約236 kPa（図1dおよび補足図5）であり、どちらもより強いです。典型的な市販の接着剤22（補足表2）。 得られた電極の厚さはわずか約8μmです（補足図6および7）。 同じく複合材料で作られた電磁シールドは、周囲の電磁波の干渉を軽減することができ、これにより超音波無線周波数信号のノイズが低減され、画質が向上します23（補足図8および補足説明4）。 このデバイスは、高い電気機械結合係数、低い誘電損失、広い帯域幅、および無視できるクロストークによって決定される、優れた電気機械特性を備えています（補足図1および方法）。 デバイス全体のヤング率は 921 kPa と低く、人間の皮膚の弾性率に匹敵します 24 (補足図 9)。 このデバイスは、最大約 110% の高い伸縮性を示し (図 1e および補足図 10)、さまざまな変形に耐えることができます (図 1f)。 人間の皮膚にかかる典型的なひずみが 20% 以内であることを考慮すると (参考文献 19)、これらの機械的特性により、ウェアラブル イメージャは広範囲にわたって皮膚との密着を維持できますが、これは硬質超音波デバイスにとっては困難です 25。