Un ecografo cardiaco indossabile

Natura volume 613, pagine 667–675 (2023) Citare questo articolo

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L'imaging continuo delle funzioni cardiache è altamente auspicabile per la valutazione della salute cardiovascolare a lungo termine, il rilevamento di disfunzioni cardiache acute e la gestione clinica di pazienti critici o chirurgici1,2,3,4. Tuttavia, gli approcci convenzionali non invasivi per l'imaging della funzione cardiaca non possono fornire misurazioni continue a causa dell'ingombro del dispositivo5,6,7,8,9,10,11, e i dispositivi cardiaci indossabili esistenti possono solo acquisire segnali sulla pelle12,13,14, 15,16. Qui riportiamo un dispositivo ad ultrasuoni indossabile per la valutazione continua, in tempo reale e diretta della funzione cardiaca. Introduciamo innovazioni nella progettazione del dispositivo e nella fabbricazione dei materiali che migliorano l'accoppiamento meccanico tra il dispositivo e la pelle umana, consentendo di esaminare il ventricolo sinistro da diverse viste durante il movimento. Sviluppiamo anche un modello di deep learning che estrae automaticamente il volume ventricolare sinistro dalla registrazione continua delle immagini, producendo forme d'onda di indici chiave di prestazione cardiaca come volume sistolico, gittata cardiaca e frazione di eiezione. Questa tecnologia consente il monitoraggio dinamico indossabile delle prestazioni cardiache con una precisione sostanzialmente migliorata in vari ambienti.

Il dispositivo è dotato di array di trasduttori piezoelettrici, elettrodi compositi di metallo liquido e incapsulamento in copolimero triblocco, come mostrato dagli schemi esplosi (Fig. 1a, a sinistra, Dati estesi Fig. 1 e Discussione supplementare 3). Il dispositivo è costruito su stirene-etilene-butilene-stirene (SEBS). Per fornire una visione completa del cuore, la pratica clinica standard consiste nell'immaginarlo in due orientamenti ortogonali ruotando la sonda ecografica17. Per eliminare la necessità della rotazione manuale, abbiamo progettato il dispositivo con una configurazione ortogonale (Fig. 1a, destra e Video supplementari 1 e 2). Ciascun elemento trasduttore era costituito da un composito piezoelettrico anisotropo 1-3 e da uno strato di supporto a base di resina epossidica argento18,19. Per bilanciare la profondità di penetrazione e la risoluzione spaziale, abbiamo scelto una frequenza di risonanza centrale di 3 MHz per l'imaging dei tessuti profondi19 (Figura 1 supplementare). Il passo dell'array era di 0,4 mm (ovvero 0,78 lunghezze d'onda ultrasoniche), il che migliora le risoluzioni laterali e riduce i lobi reticolari20.

a, Schemi che mostrano la vista esplosa del imager indossabile, con i componenti chiave etichettati (a sinistra) e il suo principio di funzionamento (a destra). b, Resistenza dell'elettrodo composito di metallo liquido in funzione della deformazione di trazione uniassiale. L'elettrodo può essere allungato fino a circa il 750% senza guasti. L'asse y è la resistenza relativa definita come R/R0, in cui R0 e R sono le resistenze misurate rispettivamente allo 0% di deformazione e ad una data deformazione. L'inserto è una micrografia elettronica a scansione degli elettrodi compositi di metallo liquido con una larghezza di circa 30 µm. Barra della scala, 50 μm. c, Prestazioni ciclistiche dell'elettrodo tra lo 0% e il 100% di deformazione di trazione uniassiale, che mostra la robustezza dell'elettrodo. L'inserto mostra le caratteristiche ingrandite del grafico durante lo stiramento e il rilassamento ciclico dell'elettrodo. d, Resistenza al taglio da sovrapposizione del legame tra gli elementi del trasduttore e il SEBS o l'elettrodo composito di metallo liquido. I dati sono medi e DS da n = 3 test. L'inserto è una configurazione schematica della prova di taglio da sovrapposizione. e, Analisi degli elementi finiti dell'intero dispositivo con allungamento biassiale del 110%. f, Immagini ottiche che mostrano la conformità meccanica del riproduttore d'immagini indossabile quando piegato su una superficie sviluppabile, avvolto attorno a una superficie non sviluppabile, colpito e attorcigliato. Barre di scala, 5 mm.

Per indirizzare individualmente ciascun elemento in una matrice così compatta, abbiamo realizzato elettrodi estensibili multistrato ad alta densità basati su un composito di metallo liquido eutettico gallio-indio e SEBS21. Il composito è altamente conduttivo e facile da modellare (Fig. 1b,c, Fig. 2–4 e Metodi supplementari). Le misurazioni del taglio da sovrapposizione mostrano che la forza di legame interfacciale è di circa 250 kPa tra l'elemento trasduttore e il substrato SEBS e circa 236 kPa tra l'elemento trasduttore e l'elettrodo composito (Fig. 1d e Fig. 5 supplementare), che sono entrambi più forti di adesivi commerciali tipici22 (Tabella supplementare 2). L'elettrodo risultante ha uno spessore di soli circa 8 μm (Fig. 6 e 7 supplementari). La schermatura elettromagnetica, anch'essa realizzata in composito, può mitigare l'interferenza delle onde elettromagnetiche ambientali, riducendo il rumore nei segnali a radiofrequenza ultrasonica e migliorando la qualità dell'immagine23 (Fig. 8 supplementare e Discussione supplementare 4). Il dispositivo ha eccellenti proprietà elettromeccaniche, come determinato dal suo elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, bassa perdita dielettrica, ampia larghezza di banda e diafonia trascurabile (Figura 1 e metodi supplementari). L'intero dispositivo ha un modulo di Young basso di 921 kPa, paragonabile al modulo della pelle umana24 (Figura 9 supplementare). Il dispositivo presenta un'elevata elasticità fino a circa il 110% (Fig. 1e e Figura 10 supplementare) e può resistere a varie deformazioni (Fig. 1f). Considerando che la tensione tipica sulla pelle umana è entro il 20% (rif. 19), queste proprietà meccaniche consentono all'imager indossabile di mantenere un contatto intimo con la pelle su un'ampia area, il che rappresenta una sfida per i dispositivi a ultrasuoni rigidi25.