Trådløs ultralydmonitor er klar for en treningsøkt – Physics World

Trådløs ultralydmonitor er klar for en treningsøkt – Physics World

Tidsstempel: 14. juni 2023 11:00

Et bilde som viser den øvre delen av en persons nakne bryst, med ultralydbrikken festet til huden over hjertet. Brikken er mindre enn et kredittkort og er ikke festet til noen ledninger.
Passer til formålet: Det nye bærbare trådløse ultralydsystemet montert på brystet for måling av hjerteaktivitet. (Med tillatelse: Muyang Lin)

Forskere i USA har designet en ultralydsvinger som overfører informasjon trådløst og som kan bæres komfortabelt på huden, og overvinner to store mangler ved tidligere enheter. Utviklet av Muyang Lin, Sheng Xu og kolleger ved University of California San Diego (UCSD), kan den nye transduseren brukes til å overvåke pasienter med alvorlige kardiovaskulære tilstander, i tillegg til å hjelpe idrettsutøvere med å holde oversikt over treningen.

Ultralydtransdusere fungerer ved å overføre høyfrekvente lydbølger inn i kroppen, og deretter oppdage bølgene som reflekteres fra vev som har forskjellige tettheter og akustiske egenskaper. I løpet av de siste tiårene har forbedringer av sonde- og kretsdesign, kombinert med bedre algoritmer for behandling av ultralydsignaler, produsert transdusere som kan tilpasse seg foldene på en persons hud. Dette har gjort det mulig for enhetene å måle ultralydsignaler kontinuerlig, noe som er spesielt nyttig for å overvåke pulsering av vener og arterier.

Forskere i Xus laboratorium hadde tidligere utviklet bærbare ultralydsonder som kan overvåke flere fysiologiske parametere for dype vev, inkludert blodtrykk, blodstrøm og til og med hjerteavbildning. Likevel hadde teknologien noen mangler. "Disse bærbare sondene er alle koblet til en klumpete maskin for kraft og datainnsamling, og vil skifte i relativ posisjon under menneskelig bevegelse, noe som gjør at de mister oversikten over mål," forklarer Lin, en doktorgradsstudent i nanoingeniør ved UCSD og hovedforfatter av en papir inn Nature Biotechnology på enheten.

På grunn av disse feilene kan tidligere kontinuerlige ultralydsensorer alvorlig hemme en brukers mobilitet. De krevde også hyppige omjusteringer etter hvert som brukerne beveget seg rundt.

Ultralyd ubundet

For å løse disse problemene utviklet UCSD-teamet en ny enhet basert på en miniatyrisert, fleksibel kontrollkrets som kommuniserer med en rekke transdusere. Denne enheten samler inn ultralydsignalene, men behandler dem ikke direkte. I stedet videresender den dem trådløst til en datamaskin eller smarttelefon, som behandler dem ved hjelp av maskinlæring.

"Vi utviklet en algoritme for automatisk å analysere signalet og velge den kanalen som har det beste signalet på bevegelig målvev," forklarer Lin. "Derfor er signalene fra målvevet kontinuerlige, selv under menneskelig bevegelse."

Forskerne testet denne evnen ved å bruke enheten til å spore posisjonen til et menneskes halspulsåre mens de overvåket pulseringen av blodet inne. Denne arterien leverer blod til hodet og nakken, så de trente algoritmen til å gjenkjenne forskyvninger forårsaket av forskjellige bevegelser av motivets hode.

Selv om teamet bare trente algoritmen på ett enkelt emne, tillot en ytterligere avansert tilpasningsalgoritme nye brukere å bruke sensoren med minimal omtrening. Når den er trent, kunne enheten oppdage ultralydsignaler av halspulsårens pulsering så dypt som 164 mm under huden, selv når brukeren trente.

Flerbruksskjerm

Xu og kollegene hadde opprinnelig til hensikt å teste sensorens evner som blodtrykksmåler. Gjennom sine eksperimenter oppdaget de imidlertid at den også kunne overvåke andre viktige parametere, inkludert arteriell stivhet, volumet av blod som pumpes ut av hjertet og mengden luft som pustes ut av brukeren.

Til syvende og sist spår forskerne at designen deres kan åpne opp et bredt spekter av muligheter for kontinuerlig ultralydovervåking. "Ved å bruke bærbar ultralydteknologi kan vi frigjøre pasienten fra store maskiner og automatisere ultralydundersøkelsene," sier Lin. "Dypvevsfysiologi kan overvåkes i bevegelse, noe som gir enestående muligheter for medisinsk ultralyd og treningsfysiologi."

Disse egenskapene kan være livsendrende for pasienter som lever med kardiovaskulære forhold, sier Lin. "For risikopopulasjoner er unormale verdier av blodtrykk og hjertevolum i hvile eller under trening kjennetegn på hjertesvikt," forklarer han. Men søknadene slutter ikke der. "For en sunn befolkning kan enheten vår måle kardiovaskulære responser på trening i sanntid. Dermed kan det gi innsikt i den faktiske treningsintensiteten som utøves av hver person, noe som kan lede utformingen av personlige treningsplaner."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden