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, as 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 só podem 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 visualizações durante o movimento. Também desenvolvemos um modelo de aprendizagem profunda que extrai automaticamente o volume ventricular esquerdo da gravação contínua de imagens, produzindo formas de onda dos principais índices de desempenho cardíaco, como volume sistólico, débito cardíaco e fração de ejeção. Esta tecnologia permite o monitoramento dinâmico do desempenho cardíaco com precisão substancialmente melhorada em vários ambientes.

O dispositivo apresenta matrizes de transdutores piezoelétricos, eletrodos compostos de metal líquido e encapsulamento de copolímero tribloco, como 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 imagens 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 Suplementares 1 e 2). Cada elemento transdutor consistia em um compósito piezoelétrico anisotrópico 1-3 e uma camada de suporte à base de epóxi de prata . Para equilibrar a profundidade de penetração e a resolução espacial, escolhemos uma frequência de ressonância central de 3 MHz para imagens de tecidos profundos (Figura 1 suplementar). O passo da matriz foi de 0,4 mm (ou seja, 0,78 comprimentos de onda ultrassônicos), o que melhora as resoluções laterais e reduz os lóbulos da grade .

a, Esquema mostrando a vista explodida do gerador de imagens vestível, com os principais componentes rotulados (esquerda) e seu princípio de funcionamento (direita). b, Resistência do eletrodo compósito de metal líquido em função da deformação 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 compósitos 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 e relaxamento cíclicos do eletrodo. d, Resistência ao cisalhamento da ligação entre os elementos transdutores e o SEBS ou eletrodo compósito 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 alongamento biaxial de 110%. f, Imagens ópticas mostrando a complacência mecânica do gerador de imagens vestível quando dobrado em uma superfície desenvolvível, enrolado em uma superfície não desenvolvível, cutucado e torcido. Barras de escala, 5 mm.

Para abordar individualmente cada elemento em uma matriz tão compacta, fabricamos eletrodos extensíveis multicamadas de alta densidade baseados em um composto de metal líquido eutético de gálio-índio e SEBS21. O compósito é altamente condutivo e fácil de padronizar (Fig. 1b, c, Figuras Complementares 2–4 e Métodos). Medições de cisalhamento mostram que a resistência de 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 compósito (Fig. 1d e Fig. Complementar 5), que são ambos mais fortes que adesivos comerciais típicos22 (Tabela Suplementar 2). O eletrodo resultante tem uma espessura de apenas cerca de 8 μm (Figs. Complementares 6 e 7). A blindagem eletromagnética, também confeccionada com o compósito, pode mitigar a interferência das ondas eletromagnéticas ambientais, o que reduz o ruído nos sinais de radiofrequência ultrassônicos e melhora a qualidade da imagem23 (Figura 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 (Figura 1 e Métodos Complementares). Todo o dispositivo possui um módulo de Young baixo de 921 kPa, comparável ao módulo da pele humana (Fig. Complementar 9). O dispositivo apresenta uma alta elasticidade de até aproximadamente 110% (Fig. 1e e Figura 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 um desafio para dispositivos rígidos de ultrassom25.