Trådløs ultralydsmonitor er klar til træning – Physics World

Trådløs ultralydsmonitor er klar til træning – Physics World

Tidsstempel: 14. juni 2023 kl. 11

Et foto, der viser den øverste del af en persons bare bryst, med ultralydschippen klæbet til huden over deres hjerte. Chippen er mindre end et kreditkort og er ikke knyttet til nogen ledninger.
Passer til formålet: Det nye bærbare trådløse ultralydssystem monteret på brystet til måling af hjerteaktivitet. (Med høflighed: Muyang Lin)

Forskere i USA har designet en ultralydstransducer, der transmitterer information trådløst og kan bæres komfortabelt på huden og overvinder to store mangler ved tidligere enheder. Udviklet af Muyang Lin, Sheng Xu og kolleger ved University of California San Diego (UCSD), kunne den nye transducer bruges til at overvåge patienter med alvorlige kardiovaskulære tilstande, samt til at hjælpe atleter med at holde styr på deres træning.

Ultralydstransducere virker ved at transmittere højfrekvente lydbølger ind i kroppen og derefter detektere de bølger, der reflekteres fra væv, der har forskellige tætheder og akustiske egenskaber. I løbet af de sidste mange årtier har forbedringer af probe- og kredsløbsdesign kombineret med bedre algoritmer til behandling af ultralydssignaler produceret transducere, der kan tilpasse sig folderne på en persons hud. Dette har gjort det muligt for enhederne at måle ultralydssignaler kontinuerligt, hvilket er særligt nyttigt til at overvåge pulseringen af ​​vener og arterier.

Forskere i Xus laboratorium havde tidligere udviklede bærbare ultralydsonder der kunne overvåge adskillige fysiologiske parametre i dybe væv, herunder blodtryk, blodgennemstrømning og endda hjertebilleddannelse. Alligevel havde teknologien nogle mangler. "Disse bærbare sonder er alle forbundet til en omfangsrig maskine til strøm- og dataindsamling og vil skifte i relativ position under menneskelig bevægelse, hvilket får dem til at miste overblikket over mål," forklarer Lin, en ph.d.-studerende i nanoingeniør ved UCSD og hovedforfatter af en papir i Nature Biotechnology på enheden.

På grund af disse fejl kunne tidligere kontinuerlige ultralydssensorer alvorligt hæmme en bærers mobilitet. De krævede også hyppige efterjusteringer, når bærerne flyttede rundt.

Ultralyd ubundet

For at løse disse problemer udviklede UCSD-teamet en ny enhed baseret på et miniaturiseret, fleksibelt kontrolkredsløb, der forbinder med en række transducere. Denne enhed indsamler ultralydssignalerne, men behandler dem ikke direkte. I stedet videresender den dem trådløst til en computer eller smartphone, som behandler dem ved hjælp af maskinlæring.

"Vi udviklede en algoritme til automatisk at analysere signalet og vælge den kanal, der har det bedste signal på bevægeligt målvæv," forklarer Lin. "Derfor er signalerne fra målvævet kontinuerlige, selv under menneskelig bevægelse."

Forskerne testede denne evne ved at bruge enheden til at spore positionen af ​​et menneskes carotisarterie, mens de overvågede blodets pulsering indeni. Denne arterie leverer blod til hoved og nakke, så de trænede algoritmen til at genkende forskydninger forårsaget af forskellige bevægelser af emnets hoved.

Selvom holdet kun trænede algoritmen på et enkelt emne, tillod en yderligere avanceret tilpasningsalgoritme nye brugere at bruge sensoren med minimal genoptræning. Når først den er blevet trænet, kunne enheden registrere ultralydssignaler af halspulsårens pulsering så dybt som 164 mm under huden, selv når bæreren trænede.

Multi-brug skærm

Xu og kolleger havde oprindeligt til hensigt at teste sensorens evner som blodtryksmåler. Gennem deres eksperimenter opdagede de dog, at det også kunne overvåge andre vigtige parametre, herunder arteriel stivhed, mængden af ​​blod, der pumpes ud af hjertet og mængden af ​​luft, som bæreren udånder.

I sidste ende forudser forskerne, at deres design kan åbne en bred vifte af muligheder for kontinuerlig ultralydsovervågning. "Ved at bruge bærbar ultralydsteknologi kan vi frigøre patienten fra omfangsrige maskiner og automatisere ultralydsundersøgelserne," siger Lin. "Dybvævsfysiologi kan overvåges i bevægelse, hvilket giver hidtil usete muligheder for medicinsk ultralyd og træningsfysiologi."

Disse evner kan være livsændrende for patienter, der lever med kardiovaskulære tilstande, siger Lin. "For udsatte populationer er unormale værdier af blodtryk og hjertevolumen i hvile eller under træning kendetegnende for hjertesvigt," forklarer han. Men ansøgningerne slutter ikke der. "For en sund befolkning kan vores enhed måle kardiovaskulære reaktioner på træning i realtid. Således kan det give indsigt i den faktiske træningsintensitet, som hver person udøver, hvilket kan guide udformningen af ​​personlige træningsplaner."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden