Un imageur portable à ultrasons cardiaque

Nature volume 613, pages 667-675 (2023)Citer cet article

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L'imagerie continue des fonctions cardiaques est hautement souhaitable pour l'évaluation de la santé cardiovasculaire à long terme, la détection d'un dysfonctionnement cardiaque aigu et la prise en charge clinique des patients gravement malades ou chirurgicaux1,2,3,4. Cependant, les approches non invasives conventionnelles pour imager la fonction cardiaque ne peuvent pas fournir de mesures continues en raison de l'encombrement du dispositif5,6,7,8,9,10,11, et les dispositifs cardiaques portables existants ne peuvent capturer que des signaux sur la peau12,13,14, 15,16. Nous rapportons ici un appareil à ultrasons portable pour une évaluation continue, en temps réel et directe de la fonction cardiaque. Nous introduisons des innovations dans la conception des dispositifs et la fabrication des matériaux qui améliorent le couplage mécanique entre le dispositif et la peau humaine, permettant ainsi d'examiner le ventricule gauche sous différentes vues pendant le mouvement. Nous développons également un modèle d'apprentissage profond qui extrait automatiquement le volume ventriculaire gauche de l'enregistrement d'images continu, produisant ainsi des formes d'onde d'indices de performance cardiaque clés tels que le volume systolique, le débit cardiaque et la fraction d'éjection. Cette technologie permet une surveillance portable dynamique des performances cardiaques avec une précision considérablement améliorée dans divers environnements.

Le dispositif comprend des réseaux de transducteurs piézoélectriques, des électrodes composites en métal liquide et une encapsulation de copolymère tribloc, comme le montrent les schémas éclatés (Fig. 1a, à gauche, Données étendues, Fig. 1 et discussion supplémentaire 3). L'appareil est construit sur du styrène-éthylène-butylène-styrène (SEBS). Pour fournir une vue complète du cœur, la pratique clinique standard consiste à l'imager dans deux orientations orthogonales en faisant tourner la sonde échographique17. Pour éliminer le besoin de rotation manuelle, nous avons conçu le dispositif avec une configuration orthogonale (Fig. 1a, à droite et vidéos supplémentaires 1 et 2). Chaque élément du transducteur était constitué d'un composite piézoélectrique anisotrope 1-3 et d'une couche de support à base d'argent-époxy18,19. Pour équilibrer la profondeur de pénétration et la résolution spatiale, nous avons choisi une fréquence de résonance centrale de 3 MHz pour l'imagerie des tissus profonds19 (Fig. 1 supplémentaire). Le pas du réseau était de 0,4 mm (soit 0,78 longueurs d'onde ultrasonores), ce qui améliore les résolutions latérales et réduit les lobes du réseau20.

a, Schémas montrant la vue éclatée de l'imageur portable, avec les composants clés étiquetés (à gauche) et son principe de fonctionnement (à droite). b, Résistance de l'électrode composite de métal liquide en fonction de la déformation en traction uniaxiale. L'électrode peut être étirée jusqu'à environ 750 % sans défaillance. L'axe y est la résistance relative définie comme R/R0, dans laquelle R0 et R sont les résistances mesurées à 0 % de déformation et à une déformation donnée, respectivement. L'encart est une micrographie électronique à balayage des électrodes composites de métal liquide d'une largeur aussi petite qu'environ 30 µm. Barre d'échelle, 50 μm. c, performances de cyclage de l'électrode entre 0 % et 100 % de déformation en traction uniaxiale, montrant la robustesse de l'électrode. L’encart montre les caractéristiques agrandies du graphique pendant l’étirement et la relaxation cycliques de l’électrode. d, Résistance au cisaillement de la liaison entre les éléments du transducteur et l'électrode SEBS ou composite de métal liquide. Les données sont moyennes et écart-type de n = 3 tests. L'encart est une configuration schématique de l'essai de cisaillement par recouvrement. e, Analyse par éléments finis de l'ensemble du dispositif sous étirement biaxial de 110 %. f, Images optiques montrant la conformité mécanique de l'imageur portable lorsqu'il est plié sur une surface développable, enroulé autour d'une surface non développable, poussé et tordu. Barres d'échelle, 5 mm.

Pour traiter individuellement chaque élément dans un réseau aussi compact, nous avons fabriqué des électrodes extensibles multicouches haute densité basées sur un composite de métal liquide eutectique gallium-indium et SEBS21. Le composite est hautement conducteur et facile à modéliser (Fig. 1b, c, Figures supplémentaires 2 à 4 et méthodes). Les mesures de cisaillement par recouvrement montrent que la force de liaison interfaciale est d'environ 250 kPa entre l'élément transducteur et le substrat SEBS, et d'environ 236 kPa entre l'élément transducteur et l'électrode composite (Fig. 1d et Fig. 5 supplémentaire), qui sont toutes deux plus résistantes que adhésifs commerciaux typiques22 (tableau supplémentaire 2). L'électrode résultante a une épaisseur d'environ 8 µm seulement (Figures 6 et 7 supplémentaires). Le blindage électromagnétique, également constitué du composite, peut atténuer les interférences des ondes électromagnétiques ambiantes, ce qui réduit le bruit des signaux radiofréquences ultrasonores et améliore la qualité de l'image23 (Fig. 8 supplémentaire et discussion supplémentaire 4). Le dispositif possède d'excellentes propriétés électromécaniques, déterminées par son coefficient de couplage électromécanique élevé, sa faible perte diélectrique, sa large bande passante et sa diaphonie négligeable (Fig. 1 supplémentaire et méthodes). L'ensemble du dispositif a un faible module d'Young de 921 kPa, comparable au module de la peau humaine24 (Fig. 9 supplémentaire). Le dispositif présente une extensibilité élevée allant jusqu'à environ 110 % (Fig. 1e et Fig. 10 supplémentaire) et peut résister à diverses déformations (Fig. 1f). Étant donné que la contrainte typique sur la peau humaine est inférieure à 20 % (réf. 19), ces propriétés mécaniques permettent à l'imageur portable de maintenir un contact intime avec la peau sur une grande surface, ce qui constitue un défi pour les appareils à ultrasons rigides25.