多普勒超声设备的原理和设计示意图
(一)多普勒超声装置示意图
该设备连续发射超声波，并接收来自移动散射体(如红细胞)的回波
(二)装置结构示意图(左)和分解图(右)
各向异性导电膜
(三)检测理念
每个接收到的回波相对于换能器发射的频率发生多普勒频移，这与散射体的速度有关
血流中的许多移动散射体产生了多普勒频移的混合，该多普勒频移在血管腔内从一个时刻到另一个时刻以及从一个地方到另一个地方变化
经过解调和功率谱密度分析，得到包含绝对频移或速度的多普勒频谱
(4)顶部电极焊接前半成品横截面的光学图像
将具有换能器阵列、底部电极和基底的装置放置在玻璃板上
(五)在曲面上弯曲时器件的光学图像
图片来源:清华大学王凤乐
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abi9283 研究人员旨在实施一种临床策略来监测血管状况，例如血管重建过程后的再狭窄和血栓形成
传统的超声探头是用于术后皮肤脆弱的患者的刚性装置
在目前发表在科学进展的一份新报告中，王凤乐和他在中国北京的工程、力学和医学研究团队引入了一种柔性多普勒超声设备，利用多普勒效应连续监测深层动脉中血流的绝对速度
皮肤贴合装置薄且重量轻
使用双光束多普勒(DBUD)方法，王等
获得流速的精确测量值
可穿戴式多普勒设备可以提高重建手术后患者的护理质量
心血管系统 临床医生通过检查血流在时间和空间上的变化来评估心血管系统的变化
由于间歇性心脏泵送，动脉中的血流可能以脉动方式变化，其中血管壁附近的流速低于血管中心处的流速
血管特征，包括它们的尺寸和顺应性，对它们内部发生的血流动力学有影响
流速参数还可以判断血栓、动脉狭窄、硬化闭塞等疾病
因此，在临床实践和医疗保健中，持续监测患者的血流是必要的
在当前的医疗保健系统中，包括手持超声设备的超声设备被并入以测量血流
在这项工作中，王等人
介绍了一种用于实时、连续监测绝对血流的连续波多普勒超声设备
阵列设计和双波束超声多普勒方法使他们能够获得绝对速度，并且不需要校准
王等
在超声模型和人体动脉上演示了该设备，以展示其监控血流速度的出色能力
器件特性和性能
(一)超声波束斜入射穿过Ecoflex基底和皮肤的示意图
由于声阻抗不匹配，超声波束将在界面上折射
(二)透射波与入射波的强度比与换能器倾角θ的关系
(三)20°倾角压电换能器的模拟波束图
(D和E)换能器弯曲500次前后的脉冲响应(A)和频率响应(B)
(六)测量过程中施加在皮肤上的压力的比较
深灰色、深灰色和浅灰色线条代表商业探测器产生的压力随时间变化的三种测量值
红线代表我们多普勒设备的结果
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abi9283 工作原理及装置设计 对血流速度的超声测量是基于压电换能器的多普勒效应，该压电换能器将具有一定频率的超声波发射到皮肤中
当移动的散射体如红细胞产生回波时，接收频率偏离发射频率，形成多普勒频移
这通常取决于声速、流速以及超声波束的轴线和朝向换能器的流动方向之间的已知多普勒角
血流的多普勒信号表示血流中具有不同速度的散射体的许多单频信号的混合，具有相应的振幅、频率和相位
该团队在设备中使用了连续波多普勒，其中一个换能器连续发射超声波束，相邻的换能器接收血液的散射回波
与脉搏波多普勒设备相比，该设备提供了简单的信号处理和简单的功能
为了设计柔性装置，王等人
通过使用成角度的换能器阵列形成不透明的超声波束来确定超声波束和散射体之间的相对运动，解决了一些关键的限制
然后，他们通过使用双束超声多普勒方法(称为DBUD方法)来确定倾角，从而确定多普勒角度
换能器显示出极好的波束方向性
该小组确定了传感器的脉冲响应和频率响应，并注意到稳定的中心频率约为5兆赫
体外设备验证
(一)超声体模的结构规格
(二)使用17个传感器，以60至20厘米/秒的速度变化的多普勒血流频谱
时间在显示器底部的多普勒频谱的水平轴上表示
频段显示在频谱的垂直轴上，可以使用多普勒方程将其转换为速度值
正向和反向多普勒信号同时显示在同一频谱上，正向半轴显示流向换能器的信号，负向半轴显示远离换能器的信号
光谱显示的亮度说明了采样体积内频率仓的分布
像素的亮度与在特定时间点导致频率偏移的散射体的数量成比例
(三)由17、20和23个传感器以20、40和60厘米/秒的三个功率因数校正进行测量
(四)分布式数据库开发方法示意图
(E)通过使用由17 (1)、20 (2)和23 (3)换能器产生的多普勒峰值偏移的成对结果来计算多普勒角γ
误差线代表标准差(N = 5)
(六)实测PFV曲线与真实PFV曲线
误差线代表标准差(N = 5)
(G)流过收缩后向下游快速膨胀的示意图，显示了湍流区域
(H)正常管段的血流频谱(左)和狭窄部位周围的血流频谱(右)
当血液流过狭窄部位时(从左到右)，速度增加，接着是超出狭窄部位的逆流区域
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abi9283 袖带实验中血流和动脉壁运动的监测
(一)测量装置，用我们的装置和一个充气袖带包裹上臂
(二)测量示意图
袖带最初充气至140毫米汞柱以上以阻塞动脉血流
然后，动脉重新开放，当袖带压力下降时，血液在某一点恢复流动
右肱动脉(C)和左肱动脉(D)的多普勒频谱和袖带压力变化(白色虚线)
(B)和(C)右边的图表显示了动脉壁的运动
红色小圆圈代表动脉收缩压
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abi9283 表征设备并理解DBUD方法 该团队接下来在一个标准的超声模型上测试了该设备，该模型旨在模拟组织材料和血液流体，模拟真实人体组织和流体的声学特性
王等
测量不同速度下模拟血液流动的多普勒频谱，并相应地调整峰值流速
随着倾角和速度的增大，峰值频移也增大
为了利用多普勒效应精确测量血流速度，研究人员必须知道血流方向和超声波束之间的角度
然而，血管方向和皮肤表面之间的角度通常是不确定的；因此，为了克服这一点，王等人
采用不同倾角的压电换能器阵列定性测量流速
他们将这种方法的原理推导为DBUD(双束超声多普勒方法)，并确定了多普勒角、流速和血管倾角的唯一解
然后，研究小组计算了多普勒角，并测量了绝对速度，无需校准
模拟实验 动脉粥样硬化会导致动脉变窄(狭窄)，从而导致血流阻力增加和动脉阻塞
通过动脉的血流通常是层流，但是当遇到狭窄时，血流会迅速增加，从而导致狭窄以外的湍流
通过开发体外缩窄模拟器，王等
模拟狭窄以捕捉不同条件下的血流特征
该团队接下来进行了光谱分析，以获得血管的定量信息
当与恒定流量相比时，血流是脉动的，并产生混乱的多普勒频移
王等
获得了颈动脉血流速度的精确测量值，并将其与商用超声波仪器的结果进行了比较
颈动脉与脑血流相关，具有典型的五个特征点的频谱
王等
验证了与商用超声波仪器相关的结果，并以多普勒音频的形式在听觉范围内显示了测量结果
该装置连续显示血管阻力的变化，以证明其在捕捉血流特征中的作用
血流速度监测
(一)一个心动周期(左)和几个心动周期(右)的典型颈动脉血流频谱
特征点标记在左图像中
插图:显示装置安装在颈部的图像
(二)商用超声机的颈动脉血流频谱
(三)将计算出的关键血流参数与商业仪器获得的参数进行比较
误差线代表标准差(N = 5)
(四)测量颈动脉血流的多普勒音频波形
(五)运动后桡动脉血流的连续测量
流动波形逐渐从低脉动性单相模式[低阻力(LR)]过渡到高脉动性模式[高阻力(HR)]
(A)到(F)的所有光谱使用与(A)中相同的颜色条
用商业仪器测量外周动脉(底排)和验证(顶排)
列(从左到右):肱动脉、桡动脉和足背动脉
红色小圆圈代表PSV(实线)和最大反向流速(虚线)
数字1、2和3代表血液流动的三个阶段
信用:科学进展，10
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abi9283 观点 通过这种方式，王凤乐和他的同事开发了一种灵活、轻便的多普勒超声设备，可以无创地实时监测人体动脉内的血流速度
与临床超声设备相比，该设备简单，没有复杂的成像组件
该小组采用了一种技术，基于双光束多普勒(DBUD)方法，提供样本范围内所有移动散射体的绝对速度
研究人员建议在血管重建手术后使用该设备监测血流速度
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