一种可持续膀胱容积监测的集成柔性超声设备

MEMS 2024-08-29 00:00

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研究背景

下尿路功能障碍（LUTD）是一个总括性术语，包括与膀胱和尿道相关的各种病症和疾病。2018年，全球有23亿人受到LUTD的影响，预计由于人口老龄化，这一数字将来会进一步增加。引起LUTD的常见病症包括良性前列腺增生（BPH）和多发性硬化症及脊髓损伤等神经系统疾病。仅BPH-LUTD在2019年的全球经济负担估计就超过730亿美元。

由于LUTD与膀胱充盈和排空过程中的异常有关，膀胱容量监测是评估膀胱功能的重要工具。目前，金标准的测量方法是膀胱导尿术。尽管其准确性高，但由于该侵入性操作带来的高不良后果，不建议用于常规检查。因此，临床医生依赖超声成像来估计膀胱容量，这是一种快速且无创的方法，可以获取膀胱排空后残留尿量等信息。然而，这种方法无法提供连续监测，并且需要训练有素的人员和昂贵的台式设备。此外，这些方法仅适用于住院患者。在医院外，监测依赖患者自己填写尿量日记和问卷，以提供排尿量和频率的信息。尽管植入传感器的连续监测在研究层面上确实存在，但只有症状复杂或严重的患者才适合使用这种侵入性设备。鉴于膀胱容量监测的重要性以及现有的状况，迫切需要能够在医院外环境中监测膀胱容量的精确且无创的技术。为此，几十年的研究已经催生了几种商业化的可穿戴设备，这些设备利用来自膀胱前壁和后壁的信号来量化膀胱充盈程度。

虽然这些设备可能在膀胱充盈时提醒用户，但它们并非用于精确和连续的膀胱容量测量，而后者对诊断和治疗应用至关重要。此外，这些刚性且非贴合的设备存在可靠性问题，并且需要使用超声凝胶进行适当的信号传输，限制了其在日常活动中的使用。此外，尽管最近的科学研究通过利用相控阵列或多元素报告了连续监测的准确性提高，但这些研究要么包括笨重的电子子系统，要么完全缺乏此类系统，且需要通过有线连接到实验室台式设备进行测量。其他报道的方法包括电阻抗分析和近红外光谱法。然而，这些方法只能提供预防性见解，而由于其低特异性、易受运动伪影影响及尿液依赖特性，这些间接测量方法仅适用于粗略估计膀胱容量。因此，这些设备都不适合进行精确和连续的膀胱容量监测。

研究成果

膀胱容积的测量对于下尿路功能障碍的早期发现和管理至关重要。当前的金标准方法为导管插入术等侵入性技术，而其他替代技术通常需要专业人员操作或无法提供临床级别的监测数据。在本文中，土耳其Koç大学Levent Beker教授团队报告了一种新型的、集成的可穿戴超声膀胱容积监测设备，可进行准确的、自动化的膀胱容积连续监测。该设备结合了柔性、气垫支撑的超声换能器和小型化的控制电子元件，同时具备无线数据传输功能。我们通过健康志愿者的实际应用测试了设备在不同膀胱形状和大小下的准确性，结果显示该设备表现出高度的准确性和稳定性。此外，该技术还可用于其他需要可穿戴超声成像和监测的领域。相关研究以“An integrated and flexible ultrasonic device for continuous bladder volume monitoring”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Design and working principle of the integrated ultrasonic device.

Fig. 2 | Characterization of the ultrasonic transducers.

Fig. 3 | Electronics design and in-vitro demonstration of the UBVM device.

Fig. 4 | In-vivo validation of continuous bladder volume measurement capabilities.

总结与展望

作者描述了一种灵活且集成的超声系统，能够连续测量膀胱容量。UBVM设备结合了带有气背设计的柔性换能器模块和简单的制造方法，使其能够在低驱动电压下工作，并配有低功耗的小型化A扫描测量电子系统、定制的移动应用程序和数据处理策略，以实现精确的膀胱容量测量。

与现有技术相比，UBVM设备具有两大关键优势，这些现有技术要么存在精度问题，要么需要通过有线连接到台式设备进行测量。首先，UBVM设备消除了当前超声贴片所需的电线，完全集成并可穿戴。这对于实现不受干扰的测量和连续监测至关重要。其次，这种完全可穿戴性并不会带来不可靠和不准确的结果。通过利用多个换能器，UBVM设备提供了高精度的无创测量。通过全面的可穿戴性研究和体外表征，我们证明了该设备在模拟临床情景中各种形状的膀胱（通过各种形状的烧瓶模拟）的平均相对误差为14.85%。此外，体内测量显示，该贴片在测量100到800毫升的各种膀胱形状和体积时，平均相对误差为11.17%。

未来的工作将重点放在增加换能器的数量，同时减少整体占用空间。尽管体内测量的精度在可接受范围内，但通过增加进行体积拟合的坐标点数量，精度可能会进一步提高。此外，通过获得至少九个坐标点，UBVM设备将能够进行椭圆拟合，从而可能带来更好的估计结果和整体精度的提高。这一换能器数量的增加可以通过提高换能器的频率、缩小其三维尺寸以及扩展当前UBVM电子设备中所用多路复用器的通道数量来实现。此外，尽管这不是此处报道的概念验证研究的重点，但我们将完成更全面的体内验证，以评估该设备在下尿路功能障碍患者以及超重和肥胖患者中的性能。一旦这些问题得到解决，我们预计UBVM设备将在解决下尿路症状和术后尿潴留等多种应用中成为一项宝贵的工具。此外，尽管我们的重点是膀胱容量监测，但通过对硬件和固件进行少量修改，系统的扩展版本可以开辟可穿戴超声成像的新维度，正如最近的研究所显示的那样。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-50397-8

延伸阅读：
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》