Trådlös ultraljudsmonitor är redo för ett träningspass – Physics World

Trådlös ultraljudsmonitor är redo för ett träningspass – Physics World

Tidsstämpel: 14 juni 2023 11:00

Ett foto som visar den övre delen av en persons bara bröst, med ultraljudschippet fast på huden över hjärtat. Chipet är mindre än ett kreditkort och är inte kopplat till några sladdar.
Passar för ändamålet: Det nya bärbara trådlösa ultraljudssystemet monterat på bröstet för att mäta hjärtaktivitet. (Med tillstånd: Muyang Lin)

Forskare i USA har designat en ultraljudsgivare som sänder information trådlöst och som kan bäras bekvämt på huden och övervinna två stora brister hos tidigare enheter. Utvecklad av Muyang Lin, Sheng Xu och kollegor vid University of California San Diego (UCSD), kan den nya givaren användas för att övervaka patienter med allvarliga kardiovaskulära tillstånd, samt för att hjälpa idrottare att hålla koll på sin träning.

Ultraljudsgivare fungerar genom att sända högfrekventa ljudvågor in i kroppen och sedan upptäcka de vågor som reflekteras från vävnader som har olika densiteter och akustiska egenskaper. Under de senaste decennierna har förbättringar av sond- och kretsdesigner, i kombination med bättre algoritmer för bearbetning av ultraljudssignaler, producerat givare som kan anpassa sig till vecken i en persons hud. Detta har gjort det möjligt för enheterna att mäta ultraljudssignaler kontinuerligt, vilket är särskilt användbart för att övervaka pulseringen av vener och artärer.

Forskare i Xus labb hade tidigare utvecklade bärbara ultraljudsonder som kan övervaka flera fysiologiska parametrar för djupa vävnader, inklusive blodtryck, blodflöde och till och med hjärtavbildning. Trots det hade tekniken vissa brister. "De här bärbara sonderna är alla kopplade till en skrymmande maskin för kraft- och datainsamling och kommer att skifta i relativ position under mänsklig rörelse, vilket gör att de tappar koll på mål", förklarar Lin, doktorand i nanoteknik vid UCSD och huvudförfattare till en papper i Nature Biotechnology på enheten.

På grund av dessa brister kan tidigare kontinuerliga ultraljudssensorer allvarligt hämma en bärares rörlighet. De krävde också frekventa omjusteringar när bärarna flyttade runt.

Ultraljud obundet

För att ta itu med dessa problem utvecklade UCSD-teamet en ny enhet baserad på en miniatyriserad, flexibel styrkrets som samverkar med en rad givare. Den här enheten samlar in ultraljudssignalerna men bearbetar dem inte direkt. Istället vidarebefordrar den dem trådlöst till en dator eller smartphone, som bearbetar dem med hjälp av maskininlärning.

"Vi utvecklade en algoritm för att automatiskt analysera signalen och välja den kanal som har den bästa signalen på rörlig målvävnad", förklarar Lin. "Därför är signalerna från målvävnaden kontinuerliga, även under mänsklig rörelse."

Forskarna testade denna förmåga genom att använda enheten för att spåra positionen för en människas kroppspulsåder medan de övervakade pulseringen av blodet inuti. Denna artär förser huvudet och halsen med blod, så de tränade algoritmen att känna igen förskjutningar orsakade av olika rörelser av personens huvud.

Även om teamet bara tränade algoritmen på ett enda ämne, gjorde en ytterligare avancerad anpassningsalgoritm det möjligt för nya bärare att använda sensorn med minimal omträning. När den väl tränats kunde enheten upptäcka ultraljudssignaler från halspulsådern så djupt som 164 mm under huden, även när bäraren tränade.

Flerfunktionsmonitor

Xu och kollegor hade ursprungligen för avsikt att testa sensorns kapacitet som blodtrycksmätare. Genom sina experiment upptäckte de dock att det också kunde övervaka andra viktiga parametrar, inklusive artärstelhet, volymen blod som pumpas ut av hjärtat och mängden luft som andas ut av bäraren.

I slutändan förutspår forskarna att deras design kan öppna upp ett brett utbud av möjligheter för kontinuerlig ultraljudsövervakning. "Genom att använda bärbar ultraljudsteknik kan vi frigöra patienten från skrymmande maskiner och automatisera ultraljudsundersökningarna", säger Lin. "Djupvävnadsfysiologi kan övervakas i rörelse, vilket ger oöverträffade möjligheter för medicinsk ultraljud och träningsfysiologi."

Dessa förmågor kan vara livsförändrande för patienter som lever med kardiovaskulära tillstånd, säger Lin. "För riskgrupper är onormala värden av blodtryck och hjärtminutvolym i vila eller under träning kännetecken för hjärtsvikt", förklarar han. Men ansökningarna slutar inte där. "För en frisk befolkning kan vår enhet mäta kardiovaskulära reaktioner på träning i realtid. Således kan det ge insikter i den faktiska träningsintensiteten som utövas av varje person, vilket kan styra formuleringen av personliga träningsplaner."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden