航天航空学院冯雪课题组在柔性超声多普勒器件方向取得重要进展

心血管疾病是全球第一大死因，据世界卫生组织预测，到2030年将有约2360万人死于心血管疾病，长期连续监测血流速度对心血管疾病防治具有重要意义。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而形成硬化斑块，容易引发脑卒中危险，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，存在固定困难、接触变形大、无法与人体表面良好耦合和难以连续监测等缺点。

柔性多普勒超声电子器件原理及结构示意

针对以上问题，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5MHz压电换能器，以实现对颈动脉血流具有最佳探测信噪比。

双声束多普勒方法和测试结果

为了解决人体运动对多普勒发射角度带来干扰等难题，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。临床实验表明，柔性多普勒超声器件准确地捕捉到志愿者颈动脉血流特征，其准确性与商用彩超设备一致，并且可实现长期连续监测，无需中途校准。实验证实超声的穿透性能使器件能够检测到至少25mm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15Pa)，避免了可能对患者造成的伤害，揭示了柔性器件在血管疾病等领域的巨大潜力。

柔性超声器件的人体实验结果

10月27日，冯雪课题组与北京协和医院杨爱明教授团队合作在《科学进展》(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1mm，重0.75g，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。

清华大学航院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，冯雪是论文通讯作者，杨爱明团队协助开展了项目的临床试验。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

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