Um gerador de imagens de ultrassom cardíaco vestível

Nature volume 613, páginas 667–675 (2023)Cite este artigo

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A imagem contínua das funções cardíacas é altamente desejável para a avaliação da saúde cardiovascular a longo prazo, detecção de disfunção cardíaca aguda e manejo clínico de pacientes críticos ou cirúrgicos1,2,3,4. No entanto, abordagens convencionais não invasivas para obter imagens da função cardíaca não podem fornecer medições contínuas devido ao volume do dispositivo5,6,7,8,9,10,11, e os dispositivos cardíacos vestíveis existentes podem apenas capturar sinais na pele12,13,14, 15,16. Aqui, relatamos um dispositivo ultrassônico vestível para avaliação contínua, em tempo real e direta da função cardíaca. Introduzimos inovações no design do dispositivo e na fabricação de materiais que melhoram o acoplamento mecânico entre o dispositivo e a pele humana, permitindo que o ventrículo esquerdo seja examinado de diferentes pontos de vista durante o movimento. Também desenvolvemos um modelo de aprendizado profundo que extrai automaticamente o volume do ventrículo esquerdo da gravação contínua da imagem, gerando formas de onda dos principais índices de desempenho cardíaco, como volume sistólico, débito cardíaco e fração de ejeção. Essa tecnologia permite o monitoramento dinâmico e vestível do desempenho cardíaco com precisão substancialmente aprimorada em vários ambientes.

O dispositivo apresenta matrizes de transdutores piezoelétricos, eletrodos de composto de metal líquido e encapsulamento de copolímero tribloco, conforme mostrado pelos esquemas explodidos (Fig. 1a, à esquerda, Dados Estendidos Fig. 1 e Discussão Suplementar 3). O dispositivo é construído em estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS). Para fornecer uma visão abrangente do coração, a prática clínica padrão é obter sua imagem em duas orientações ortogonais girando a sonda de ultrassom17. Para eliminar a necessidade de rotação manual, projetamos o dispositivo com configuração ortogonal (Fig. 1a, à direita e Vídeos complementares 1 e 2). Cada elemento transdutor consistia em um composto piezoelétrico anisotrópico 1-3 e uma camada de suporte à base de prata epóxi18,19. Para equilibrar a profundidade de penetração e a resolução espacial, escolhemos uma frequência ressonante central de 3 MHz para imagens de tecidos profundos19 (Fig. 1 complementar). O passo da matriz foi de 0,4 mm (ou seja, 0,78 comprimentos de onda ultrassônicos), o que aumenta as resoluções laterais e reduz os lóbulos de grade20.

a, Esquema mostrando a visão explodida do gerador de imagens vestível, com os principais componentes rotulados (à esquerda) e seu princípio de funcionamento (à direita). b, Resistência do eletrodo composto de metal líquido em função da tensão de tração uniaxial. O eletrodo pode ser esticado até cerca de 750% sem falha. O eixo y é a resistência relativa definida como R/R0, em que R0 e R são as resistências medidas a 0% de deformação e uma determinada deformação, respectivamente. A inserção é uma micrografia eletrônica de varredura dos eletrodos compostos de metal líquido com uma largura tão pequena quanto cerca de 30 µm. Barra de escala, 50 μm. c, Desempenho de ciclagem do eletrodo entre 0% e 100% de tensão de tração uniaxial, mostrando a robustez do eletrodo. A inserção mostra os recursos ampliados do gráfico durante o alongamento cíclico e o relaxamento do eletrodo. d, resistência ao cisalhamento da ligação entre os elementos transdutores e SEBS ou eletrodo composto de metal líquido. Os dados são média e dp de n = 3 testes. A inserção é uma configuração esquemática do teste de cisalhamento. e, análise de elementos finitos de todo o dispositivo sob 110% de alongamento biaxial. f, Imagens ópticas mostrando a complacência mecânica do gerador de imagens vestível quando dobrado em uma superfície revelável, enrolado em uma superfície não revelável, cutucado e torcido. Barras de escala, 5 mm.

Para abordar individualmente cada elemento em uma matriz tão compacta, criamos eletrodos elásticos multicamadas de alta densidade com base em um composto de metal líquido eutético de gálio-índio e SEBS21. O compósito é altamente condutor e fácil de padronizar (Fig. 1b,c, Figs complementares. 2–4 e Métodos). As medições de cisalhamento mostram que a resistência da ligação interfacial é de cerca de 250 kPa entre o elemento transdutor e o substrato SEBS e cerca de 236 kPa entre o elemento transdutor e o eletrodo composto (Fig. 1d e Fig. Complementar 5), que são ambos mais fortes do que adesivos comerciais típicos22 (tabela complementar 2). O eletrodo resultante tem uma espessura de apenas cerca de 8 μm (Suplementar Figs. 6 e 7). A blindagem eletromagnética, também feita do compósito, pode atenuar a interferência das ondas eletromagnéticas do ambiente, o que reduz o ruído nos sinais de radiofrequência do ultrassom e melhora a qualidade da imagem23 (Fig. 8 complementar e Discussão complementar 4). O dispositivo possui excelentes propriedades eletromecânicas, conforme determinado por seu alto coeficiente de acoplamento eletromecânico, baixa perda dielétrica, ampla largura de banda e diafonia insignificante (Fig. 1 e métodos complementares). Todo o dispositivo tem um módulo de Young baixo de 921 kPa, comparável ao módulo da pele humana24 (Fig. 9 complementar). O dispositivo exibe uma alta elasticidade de até aproximadamente 110% (Fig. 1e e Fig. Complementar 10) e pode suportar várias deformações (Fig. 1f). Considerando que a tensão típica na pele humana está dentro de 20% (ref. 19), essas propriedades mecânicas permitem que o gerador de imagens vestível mantenha contato íntimo com a pele em uma grande área, o que é desafiador para dispositivos rígidos de ultrassom25.