Ультразвуковой датчик для бесконтактного измерения артериального давления
Разработана новая технология для бесконтактного неинвазивного мониторинга артериального давления. Она использует ультразвук для отслеживания изменений диаметра сосудов в реальном времени, без необходимости в традиционной манжете. Технология может стать ключевым компонентом будущих носимых медицинских устройств и платформ для умного мониторинга здоровья.
Исследование опубликовано в журнале Microsystems & Nanoengineering.
Команда под руководством доктора Шина Хура из Корейского института машин и материалов (KIMM) в сотрудничестве с командой доктора Бён-Чуля Ли из Корейского института науки и технологий (KIST) создала первый в мире накожный неинвазивный датчик давления. Он использует пьезокомпозиты из монокристалла PMN-PT, интегрированные с помощью низкотемпературного процесса пайки.
Принцип работы ультразвукового датчика
Команда применила технику двусторонней низкотемпературной пайки SnBi (олово–висмут) для интеграции высокопроизводительных пьезоустройств на гибкую подложку без их деполяризации. Был разработан и изготовлен ультразвуковой преобразователь в виде массива 5×4 (UTA).
Ультразвуковой луч от датчика проникает через кожу, обнаруживает сигналы, отраженные от стенок сосуда, и измеряет изменения его диаметра. На этом принципе устройство измеряет изменения диаметра сосуда, соответствующие систолическому и диастолическому давлению, и вычисляет значения артериального давления.
Датчик построен на гибкой полиимидной (PI) подложке со слоем инкапсуляции Parylene-C, надежно прилипает к коже человека, имеет общую толщину менее 0.5 мм и вес менее 1 г, что обеспечивает долговременную носимую способность.
Датчик работает, передавая ультразвук, генерируемый монокристаллическими 1–3 композитами PMN-PT, в кровеносные сосуды, анализируя отраженные эхо-сигналы для измерения сосудистого диаметра и расчета давления. Для оптимизации характеристик акустического распространения и отражения команда провела мультифизическое моделирование в COMSOL.
Низкотемпературный метод пайки (ниже 150 °C) предотвращает тепловую деполяризацию, характерную для свинцовых пьезоэлектрических устройств, обеспечивая высокое отношение сигнал/шум (SNR) и надежное электрическое соединение без необходимости высокотемпературной обработки.
Преимущества перед существующими технологиями
Существующая оптическая технология бесконтактного измерения давления подвержена влиянию внешних факторов, таких как цвет кожи, движение и освещение. Она также может измерять только сосуды, близкие к поверхности кожи, и не способна измерять давление в глубоких сосудах.
В отличие от этого, ультразвуковая технология может напрямую измерять реальные изменения диаметра глубоких кровеносных сосудов под кожей.
Традиционные ультразвуковые датчики, изготовленные из жестких материалов PZT, также имеют плохую носимую способность. В то время как композит PMN-PT в сочетании с низкотемпературной пайкой позволяет плотно прикрепляться к изогнутым поверхностям кожи без потери производительности.
Упрощенная конструкция сохраняет отличный SNR без акустического согласования или демпфирующих слоев, повышая эффективность производства. Датчик обеспечивает высокую точность (в пределах ±4 мм рт. ст.), гибкость и возможность крепления на кожу, что дает явные преимущества перед существующими технологиями.
Валидация и будущий потенциал
Команда проверила работу датчика на фантоме сосуда с искусственной кожей. Измеренные систолическое и диастолическое давление показали погрешности ±4 мм рт. ст. и ±2.3 мм рт. ст. соответственно, что соответствует клиническому стандарту AAMI ±5 мм рт. ст. Это один из самых высоких уровней точности, зарегистрированных для неинвазивного ультразвукового мониторинга давления.
«Эта технология впервые демонстрирует непрерывный мониторинг артериального давления без манжеты с использованием накожного ультразвукового датчика», — заявил доктор Шин Хур из KIMM. — «В сочетании с анализом давления на основе ИИ она станет ключевой платформой для персонализированного прогнозирования сердечно-сосудистых заболеваний и умного здравоохранения».