03 июня 2024 г. Тами Фриман
Ультразвуковой датчик-наклейка позволяет осуществлять объемное исследование магистральных артерий головного мозга и записывать характеристики кровотока. Датчик состоит из множества пьезоэлектрических преобразователей, соединенных растяжимым пятислойным электродом и общим заземляющим электродом.
Мониторинг изменений церебрального кровообращения служит ценным инструментом для диагностики патологий головного мозга. Транскраниальная доплеровская сонография (TCD) — это недорогой и неинвазивный метод оценки церебрального кровотока, однако ранее постоянный мониторинг был неосуществим из-за жесткой формы датчика и необходимости управления традиционными системами вручную. А поскольку в датчиках TCD обычно используется один преобразователь или линейная решетка преобразователей, они позволяют визуализировать лишь часть сложной трехмерной сети церебральных артерий.
Чтобы избавиться от этих недостатков, был разработан носимый датчик-наклейка для автоматической объемной визуализации церебральных артерий и долгосрочного мониторинга церебрального кровообращения.
По словам авторов изобретения, при традиционном измерении параметров церебрального кровотока в одно и то же время дня результаты исследований могут не отражать потенциальные колебания в периоды между исследованиями.
Новый датчик размером с почтовую марку и содержит решетку из 16 x 16 пьезоэлектрических преобразователей со средней частотой 2 МГц, что позволяет свести к минимуму ослабление и фазовое искажение при прохождении сигнала через кости черепа. Слой медной сетки защищает от электромагнитного излучения и увеличивает отношение сигнал — шум. Устройство заключено в капсулу из водонепроницаемого силиконового эластомера. Во время использования датчик экранированными кабелями соединяется со стандартным аппаратом УЗИ.
Сосуды головного мозга — это сложно организованная сеть из множества артерий. Для ее обследования в трехмерном формате датчик выполняет сверхбыстрые ультразвуковые исследования (3000 изображений в секунду) и одновременно излучает пять расходящихся под различными углами волн, что позволяет расширить область исследования до приблизительно 60 x 60 мм при глубине 50 мм.
Датчик, прикрепленный к височному окну добровольца (области перед ухом), передавал изображения терминального участка внутренней сонной артерии, по которой кровь из шеи поступает в магистральные артерии головного мозга, а также передние, средние и задние мозговые артерии, снабжающие кровью большую часть головного мозга.
Специальные алгоритмы использовались для обработки полученного сигнала и реконструкции объемного изображения этой обширной сосудистой сети в режиме энергетического доплера. Далее эту трехмерную реконструкцию можно использовать для фокусировки ультразвукового луча на желаемых участках артерий для долгосрочного мониторинга кровотока.
Чтобы подтвердить функциональность ультразвукового датчика, ученые сравнили результаты исследований кровообращения с результатами, полученными при помощи традиционного транскраниального доплеровского датчика. У 36 здоровых добровольцев была замерена скорость кровотока в 10 сегментах артерий через четыре транскраниальных окна (височное, орбитальное, подчелюстное и подзатылочное) для визуализации различных сегментов артерий.
Далее датчик-наклейку использовали для измерения характеристик кровотока у участников, выполняющих различные действия, влияющие на кровоток в отдельных церебральных артериях.
Например, при сжатии кисти руки сокращение мышц предплечья активизирует симпатическую нервную систему, что приводит к усилению кровоснабжения головного мозга и скорости кровотока в контралатеральной средней мозговой артерии (СМА). С началом сжатия кисти добровольцем средняя скорость кровотока в левой СМА резко возрастала, затем медленно стабилизировалась на уровне около 119% от исходного значения, пока кисть была сжата. Сразу же после разжатия кулака скорость кровотока быстро снижалась.
Сходные измерения были выполнены при проведении пробы Вальсальвы, генерации слов и визуальной стимуляции. Во всех случаях датчик регистрировал изменения церебрального кровотока соответственно выполняемым действиям.
Такие преходящие изменения церебрального кровотока могут нарушаться при различных заболеваниях и патологиях головного мозга, поэтому ультразвуковой датчик-наклейка может потенциально применяться в клинических условиях для диагностики.
Также авторы показали потенциал долгосрочного мониторинга, проведя непрерывное исследование кровотока в СМА участника в течение 4 ч. Датчик позволил выявить каскад B-волн (медленных колебаний скорости кровотока, связанных с выведением шлаков из головного мозга и выздоровлением после болезни) в период, когда участник хотел спать.
Авторы планируют далее провести исследования на беременных женщинах с различными заболеваниями и подтвердить эффективность датчика. Также в планах создание беспроводной версии устройства.
Прочитать полную версию оригинальной статьи на английском вы можете на сайте Physics World. За перевод статьи с английского благодарим переводческую компанию, а также поставщиков медицинского оборудования.