浙江清华柔性电子技术研究院

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颈动脉在高血压、高血脂等因素作用下常会出现硬化而形成粥样斑块，极易引发脑卒中等危险情况。在临床医学上，准确判断管腔狭窄程度是预警斑块脱落和防治脑卒中最重要的方法之一，但当前可持续监测血管狭窄状况的技术手段十分缺乏。基于光容积描记术或热分析的技术只能提供相对的流量变化，探测深度很浅，而传统的超声设备体积大、材质刚性。超声器件的小型化、柔性化是长期的发展趋势。开发一款兼具高性能与可拉伸性、能够监测人体血流速度的柔性超声电子器件是潜在解决方案，也对医工交叉学科领域具有重要的意义。

10月27日，清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组与北京协和医院杨爱明教授团队合作在 Science Advances 期刊上发表了题为《用于血流速度监测的柔性超声多普勒器件》（“Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity”）的论文，报道了一种可实时连续监测血管血液流速的柔性多普勒超声电子器件。该器件厚度仅1 mm，重0.75 g，可轻柔贴附于皮肤表面，并达到和临床大型超声设备相近的测量精度。该柔性超声器件技术不但解决了在体表对深度血流信号长期监测的难题，还可以与胃肠镜、大脑等异型曲面自然集成，为复杂挑战条件下的超声成像和生命体征监测提供了一条新途径，在血栓形成、血管狭窄、卒中防治和超声内镜等场景有重大应用潜力。

图1. 柔性多普勒超声电子器件原理及结构示意

心血管疾病是全球第一大死因。世界卫生组织预计到2030 年将约2360万人死于心血管疾病，其中大部分和心脏疾病或中风有关。血流速度参数可以提示许多心血管疾病，如血栓、狭窄、硬化等，在一些疾病的诊断和预后上长期连续监测血流速度很有意义。例如，颈动脉在高血压、高血脂等因素作用下往往会出现一定程度的硬化，形成粥样硬化斑块，容易引发脑卒中危险。无论是脑卒中预防或预后，判断管腔狭窄程度都是最重要的标准之一，精准及时的早期识别显得尤为重要。然而临床一般只会在中风症状出现的时候使用大型超声设备检查血管和血流，使得额外手术干预不可避免。目前临床常用测血流的设备是集B 超和多普勒功能为一体的超声系统。然而，其硬件设备中包含硬质笨重的探头，这些刚性探头固定困难，无法与现实物体中普遍存在的不规则的非平面表面进行良好接触耦合。此外，使用硬质探头检查会对皮肤产生压力，在几何不连续区域容易出现应力集中，不能保护受伤的组织。同时，使用超声探头对操作医师的专业要求很高，难以在居家等环境中持续对健康状况进行测量。

针对以上问题，冯雪课题组研发了一种柔性压电换能器阵列，通过集成1-3型压电复合材料、蛇形导线和低模量弹性硅胶，使得器件具备柔性与可拉伸性，可共形贴附于皮肤表面，与皮肤声耦合良好，克服了现有超声器件无拉伸性、无法与皮肤贴合、需要耦合剂等难题。多阵元设计有助于尽可能覆盖待检测的血管，确保超声束穿过血流，减少手动操作，自动化寻找位置。超声波发射频率影响探测深度及多普勒散射强度，研究者采用5 MHz压电换能器，以实现对颈动脉血流具有最佳探测信噪比。

图2. 双声束多普勒方法和测试结果

为了利用多普勒效应测血流速度，声束方向不能和血流方向垂直。因此压电换能器被设计为倾斜放置在弹性基底上，与基底面具有一定的夹角，以形成斜发射（接收）的声束，与运动的血流中散射体产生多普勒效应。针对多普勒角未知难题，研究者采用双声束多普勒方法，实现对血流速度矢量与声束夹角的估计，对流速定量测量，这使得在血流速度测试前无需进行校准，提供血管截面内血流速度的绝对值。

图3. 器件在颈动脉及一些外周动脉上的测试结果，并与商用彩超对比

人体动脉血流呈搏动性，在超声作用下随心动周期而产生不断变化的混杂的多普勒频率。频谱分析为血管提供重要的定量信息。临床实验表明，柔性多普勒超声器件准确的捕捉到志愿者颈动脉血流特征（收缩期峰值流速、舒张末期流速等）。这些血流特征可反映血流阻力信息。同时，器件在中心动脉和外周动脉上取得了与商用彩超设备一致的结果。实验证实超声的穿透性能使器件能够检测到至少25 mm深的动脉血流，远超过以光、热为技术的传统柔性电子器件探测深度。器件极低的重量使得其相比于传统探头，对皮肤的压强降低了2个数量级（仅约15 Pa），避免了可能对患者造成的伤害。

血流波形包含了年龄、性别、身高、体重等影响心血管健康因素的丰富信息。生理和病理状况的改变导致外周阻力的变化，也会改变流动波形。通过对血流速度的长期连续监测可洞察血管中血流动力学的改变，以评估血管健康。研究者连续测量了志愿者适量运动后桡动脉血流变化情况。血流从低阻力单相波形逐渐过渡到高阻力三相波，收缩期峰值流速逐渐降低，最终出现反向血流。实验证实了柔性器件可以连续捕捉到血流速度和血流阻力的变化，无需中途校准，其在提示血管疾病等领域具有巨大潜力。

图4. 运动后连续测量桡动脉血流波形的变化

清华大学航院、柔性电子技术研究中心博士生王峰乐为文章第一作者，浙江清华柔性电子技术研究院副研究员付际、北京协和医院副主任医师冯云路为该工作提供了重要的设计和实验支持，冯雪教授是论文通讯作者。北京协和医院杨爱明教授团队协助开展了项目的临床试验，并推动该技术在消化道出血诊疗和超声内镜等临床场景的应用。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

*中国科协科学技术传播中心支持

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论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9283

F. Wang, P. Jin, Y. Feng, J. Fu, P. Wang, X. Liu, Y. Zhang, Y. Ma, Y. Yang, A. Yang, X. Feng, Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity. Sci. Adv. 7, eabi9283 (2021)

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