利用可重定位 3D 超声电容式微机械行列传感器监测微血管随时间的变化：开启微血管健康监测新时代

《SCIENCE ADVANCES》：Monitoring microvascular changes over time with a repositionable 3D ultrasonic capacitive micromachined row-column sensor

为解决现有 eHealth 设备无法全面监测微血管网络的问题，研究人员开展了使用电容式微机械超声换能器行列阵列（CMUT RCA）进行微血管变化监测的研究。结果显示该传感器能高分辨率成像 3D 微血管网络，有望用于早期检测相关疾病，助力健康监测。

　　在当今科技飞速发展的时代，健康监测设备不断推陈出新，智能手表、智能秤等 eHealth 设备凭借其能对生命体征进行连续、实时监测的特性，在医疗保健领域展现出巨大潜力。例如，智能手表中的心电图（ECG）传感器可检测心律失常，智能秤的生物阻抗传感器能分析人体成分 。然而，现有技术存在明显短板，对于与多种疾病密切相关的微血管网络，如糖尿病（DM）、高血压、动脉粥样硬化等疾病涉及的微血管变化，缺乏全面有效的监测手段。

为了填补这一重要空白，来自国外的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种基于超声技术的新方法，使用电容式微机械超声换能器行列阵列（CMUT RCA），实现对微血管变化（如血流动力学变化或血管重塑）的连续、超灵敏三维（3D）多普勒成像 。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为微血管健康监测领域带来了新的曙光。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，设计并制备了 CMUT RCA 传感器，其通过标准半导体工艺制造，采用行 - 列寻址方式减少通道数量 。其次，对传感器进行声学和阻抗特性表征，利用脉冲回波测量和精密阻抗分析仪获取相关数据 。再者，通过模拟和实验对比不同成像序列，如正交平面波（OPW）成像、单阵列平面波（SPW）成像等，以优化成像效果 。此外，进行体内多普勒测量，在人体手指、手腕和脚趾等部位开展实验，获取微血管变化数据 。

设计和工作原理

研究人员设计的 CMUT RCA 传感器可通过超声脉冲回波成像检测人体内部结构。该传感器的超声阵列视野为 9.6mm×9.6mm，能满足定性 B 超和多普勒成像需求，时间分辨率足以检测血液和组织中的心脏变化及脉搏波 。CMUT 细胞通过行列电极寻址，经测试可承受 35V 直流和 ±15V 交流电压，在传输和接收模式下均无电气或机械缺陷。研究人员还对传感器的阻抗和声学性能进行测量，其平均阻抗为 58.5±1.7 欧姆，中心频率为 9.02±0.19MHz，带宽为 73±5%（-6dB） 。

超声序列优化

为了找到微血管成像在分辨率、灵敏度和计算复杂度之间的最佳平衡点，研究人员对比了不同成像方法。通过模拟和实验发现，SA 和 HSA 在分辨率方面表现出色，而 OPW32+32 序列在综合性能上优势明显。在对直径 180μm 的钢珠进行成像时，OPW32+32 序列的半高宽（FWHM）为 490μm，信噪比（SNR）为 - 25dB；在对模拟血管的凝胶模型进行功率多普勒成像时，该序列的 FWHM 为 547μm，对比噪声比（CNR）可达 14.6±1.8dB，且声学安全指标符合标准，因此被选用于后续研究 。

体内多普勒微血管成像

利用特定的固定装置，CMUT RCA 传感器成功对人体的大脚趾、手掌、手腕和手指等部位进行 3D B 超和功率多普勒成像 。在手腕处，能清晰显示桡动脉、尺动脉及其分支和静脉；手掌中可观察到皮下血管丛；手指和脚趾的皮下血管丛也能被准确检测到，其血管直径在 300 - 800μm 之间 。对健康志愿者手指进行长达 6 个月的纵向研究发现，自动 3D 配准可显著提高同一手指功率多普勒体积之间的相关性，从 49.0±13.7% 提升至 74.9±4.4%，且配准后最小公共体积达传感器视野的 84% 。

脉搏波传感器用于心血管评估

研究人员通过有符号功率多普勒和频谱多普勒评估传感器检测手指皮下血管丛血流方向和估计血流轴向速度波形的能力 。结果显示，该传感器测量的血流参数与临床超声扫描仪测量结果相符，如电阻抗指数（RI） 。通过估计手指的变形，研究人员检测到脉搏波，并与心电图（ECG）同步测量。Bland - Altman 图表明，该传感器测量心率的准确性和精密度良好，平均差异为 0.03 次 / 分钟，95% 置信区间为 ±1.7 次 / 分钟 。测量得到的脉搏波传播时间（PWTT）为 214±8ms，脉搏波速度（PWV）为 4.11m/s±0.15m/s 。

血流动力学变化检测

研究人员利用全身热调节反射，通过对一侧手施加冷热刺激，观察另一侧手的血管运动。实验结果显示，在冷刺激（5°C）下，手指血容量减少，热刺激（42°C）下血容量显著增加，皮下组织和垂直连接血管的血容量变化最为明显 。通过拟合血容量信号，测量得到血管运动的上升时间为 14.3±1.5s，持续时间为 8.4±1.6s 。

综上所述，该研究设计的 3D 超声方法及 CMUT RCA 传感器在微血管监测方面表现卓越。它能够实现高分辨率的 3D 多普勒成像，准确捕捉微血管的结构和功能变化，且自动 3D 配准技术提高了监测的可靠性。在检测血流动力学变化和评估心血管信息方面，该传感器也展现出良好的性能 。不过，该研究也存在一些局限性，如声学耦合方式不便日常使用、存在运动伪影、传感器功耗较高等 。尽管如此，这项研究为未来将此类传感器集成到可穿戴设备中奠定了坚实基础，有望实现对微血管健康的长期、连续监测，助力疾病的早期检测和个性化医疗，在生物医学领域具有重要的应用前景和研究价值。