文摘gydF4y2Ba
连续成像评估心脏功能是非常可取的长期的心血管健康,检测急性心脏功能障碍和危重或手术患者的临床管理gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。然而,传统的非侵入性方法图像由于心脏功能不能提供连续测量设备笨重gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba和现有的可穿戴的心脏设备只能捕获信号在皮肤上gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba。这里我们报告一个可穿戴的超声波设备连续、实时、直接心脏功能评估。我们引入创新设备设计和材料制造,提高机械设备之间的耦合和人类皮肤,允许检查左心室运动期间从不同的观点。我们也开发深度学习模型自动提取左心室体积连续图像记录,产生波形的关键心脏体积性能指标如中风,心输出量和射血分数。这种技术可以动态可穿戴监测心脏性能大大改进精度在不同的环境中。gydF4y2Ba
主要gydF4y2Ba
主要gydF4y2Ba
设备功能压电换能器阵列,液态金属复合电极和triblock共聚物封装、爆炸示意图(图如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba(左)扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)。该设备是建立在styrene-ethylene-butylene-styrene(实用)。提供一个全面的视图的心,标准的临床实践是图像在两个正交方向旋转的超声波探头gydF4y2Ba17gydF4y2Ba。不再需要手动旋转,我们设计了设备与正交配置(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba)。每个传感器元素由一个各向异性1 - 3压电复合材料和silver-epoxy-based支持层gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba。平衡穿透深度和空间分辨率,我们选择3兆赫的中心谐振频率深层组织成像gydF4y2Ba19gydF4y2Ba(补充图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。阵列间距为0.4毫米(0.78超声波波长),提高横向分辨率和降低光栅叶gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba,图表显示的爆炸视图可穿戴成像仪、与关键组件贴上标签(左)和它的工作原理(右)。gydF4y2BabgydF4y2Ba液态金属的电阻复合电极作为单轴拉伸应变的函数。电极可以延伸到大约750%没有失败。的gydF4y2BaygydF4y2Ba定义为轴的相对阻力gydF4y2BaRgydF4y2Ba/gydF4y2BaRgydF4y2Ba0gydF4y2Ba,在这gydF4y2BaRgydF4y2Ba0gydF4y2Ba和gydF4y2BaRgydF4y2Ba是测量电阻应变和一个给定的应变0%,分别。插图是一个扫描电子显微照片的液态金属复合电极的宽度大约30µm一样小。酒吧,规模50μm。gydF4y2BacgydF4y2Ba0%和100%之间,电极的循环性能单轴拉伸应变,显示电极的鲁棒性。插图显示图形的放大特性在电极的循环拉伸和放松。gydF4y2BadgydF4y2Ba,搭接剪切强度传感器元素和实用之间的粘结或液态金属复合电极。数据意味着和停工gydF4y2BangydF4y2Ba= 3测试。插图是一个示意图设置的剪切试验。gydF4y2BaegydF4y2Ba有限元分析双轴拉伸整个设备的110%。gydF4y2BafgydF4y2Ba、光学图像,图像显示了可穿戴的机械合规成像仪倾向于可展曲面时,缠绕在non-developable表面,戳和扭曲。规模酒吧、5毫米。gydF4y2Ba
单独的地址在这样一个紧凑的数组,每个元素我们高密度多层柔性电极复合的基础上共晶镓-铟液态金属和实用gydF4y2Ba21gydF4y2Ba。复合高导电和容易模式(无花果。gydF4y2Ba1 b, cgydF4y2Ba,补充无花果。gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。搭接剪切测量表明,界面结合强度约为250 kPa换能器元素和实用之间的基质,和大约236 kPa换能器之间的元素和复合电极(图。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba),这都比典型的商业粘合剂gydF4y2Ba22gydF4y2Ba(补充表gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba)。由此产生的电极的厚度只有8μm(补充无花果。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba和gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。电磁屏蔽,也制成的复合,可以减轻环境电磁波的干扰,减少了噪声的超声射频信号,提高了图像质量gydF4y2Ba23gydF4y2Ba(补充图。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。该设备具有良好的机电特性,决定了其高机电耦合系数、介电损耗低、宽的带宽和相声(补充图可以忽略不计。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。整个设备的低杨氏模量为921 kPa,可比人类皮肤弹性模量gydF4y2Ba24gydF4y2Ba(补充图。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。设备展览高延性的大约110%(图。gydF4y2Ba1 egydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),可以承受各种变形(图。gydF4y2Ba1 fgydF4y2Ba)。考虑到人体皮肤上的典型的应变是在20% (ref。gydF4y2Ba19gydF4y2Ba),这些力学性能允许的可穿戴成像仪与皮肤保持亲密接触面积大,这是具有挑战性的刚性超声波设备gydF4y2Ba25gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
成像策略和特征gydF4y2Ba
我们生成的图像的质量评估基于解剖成像的五个最重要的指标:空间分辨率(轴向、横向和高程),信噪比,位置精度(轴向和横向)、动态范围和contrast-to-noise-ratiogydF4y2Ba26gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
图像质量的传输波束形成战略是至关重要的。因此,我们比较三种不同的策略:平面波,mono-focus和宽束复合。幻影包含单丝线被用于这种比较(补充图。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba位置1)。在三种策略中,宽束复合实现序列发散与一系列的声波传播的角度,和生成的图像的每个传输前后一致地创建一个复合图像相结合,与扩大超声有最好质量的窗口gydF4y2Ba27gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba和补充无花果。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)。我们还利用接收波束形成策略来进一步提高图像质量(补充图。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba和gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。宽束复合达到合成聚焦效应,因此,声高强度在整个受声波的作用区域(图。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),导致最好的信噪比和空间分辨率(无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba第三列,无花果。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba线,成像结果(直径100µm)幻影使用不同的传输波束形成的策略。通过平面波前三列显示的图像,分别mono-focus和宽束复合在不同的深度。第四列显示的成像分辨率宽束复合高程方向。下面一行显示的图像横向分布宽束复合导线的横向精度和空间分辨率不同的横向距离的中心轴。gydF4y2BabgydF4y2Ba,信噪比的函数下的成像深度不同的传播策略。gydF4y2BacgydF4y2Ba、模拟声学领域的宽束复合,增强声场在整个受声波的作用区域。gydF4y2BadgydF4y2Ba、高程、横向和轴向分辨率的设备使用宽束复合在不同的深度。gydF4y2BaegydF4y2Ba、横向和轴向分辨率的设备使用宽束复合不同的横向距离中央轴。数据gydF4y2BadgydF4y2Ba和gydF4y2BaegydF4y2Ba美国南达科他州的意思是,从五个测试(gydF4y2BangydF4y2Ba= 5)。gydF4y2BafgydF4y2Ba矩阵,成像夹杂物具有不同的对比。这些表图像的基础上,动态范围(gydF4y2BaggydF4y2Ba)和contrast-to-noise比(gydF4y2BahgydF4y2Ba可以量化)的设备。gydF4y2Ba
量化设备空间分辨率使用宽束复合策略,我们测量半极大处全宽度的点扩散函数曲线gydF4y2Ba28gydF4y2Ba从图像中提取(无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba、第三和第四列和最后一行和补充图。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba位置1和2)。随着深度的增加,高程分辨率恶化(无花果。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba),因为光束更加发散在高程方向。因此,我们六个小元素集成到元素(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba声束)来提供更好的收敛性和高程决议。横向分辨率和深度(图仅略有恶化。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba由于接收波束形成(的过程)gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。轴向分辨率仍几乎恒定的深度(无花果。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba),因为它只取决于频率和带宽的传感器阵列。同样,在同一深度,轴向分辨率仍然符合不同的横向距离设备的中心轴,而横向分辨率是最好的中心,哪里有高重叠的声束复合后(图gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba和gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
成像位置精度的另一个关键指标。成像结果和地面真理之间的协议(图中红点。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)在轴向和横向方向分别为96.01%和95.90%,分别说明优秀的位置精度(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
最后,我们评估设备的动态范围和contrast-to-noise比使用宽束复合策略。幻影包含圆柱夹杂物与不同的声阻抗是用于评估(补充图。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,位置3)。高声阻抗不匹配导致具有高对比度的图像(图gydF4y2Ba2 fgydF4y2Ba)。我们提取的平均灰值包含图片和执行一个线性回归gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,确定了动态范围63.2 dB(无花果。gydF4y2Ba2 ggydF4y2Ba补充图。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba和gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba),这是远远高于60-dB阈值通常用于医疗诊断gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
我们选择感兴趣的两个区域,一个在,另一个在每个包含区域之外,推导出contrast-to-noise比率gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,范围从0.63到2.07(无花果。gydF4y2Ba2 hgydF4y2Ba和gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。包容之下会导致更高的contrast-to-noise更高比例的形象。最低的夹杂物对比(+ 3 dB或−3 dB)可以清晰的可视化,证明这个设备的杰出的敏感性gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba。可穿戴成像仪的性能相当与商业设备(补充无花果。gydF4y2Ba17gydF4y2Ba和gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,扩展数据表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
超声心动图从几个观点gydF4y2Ba
超声心动图通常用于检查心脏的结构完整性和血液传输能力。独特的软设备、人体胸部的轮廓导致non-planar分布的传感器元素,导致相位失真,因此图像的文物gydF4y2Ba32gydF4y2Ba。我们用三维扫描仪收集胸腔曲率补偿元素可穿戴成像仪内的位置变化,因此正确的相位失真在传输和接收波束形成(补充图。gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,扩展数据图。gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
我们将可穿戴设备的性能与超声心动图的商业设备在四个主要观点,关键心脏功能可以被识别(扩展数据图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)。图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba表显示了图表和相应的图片这四个视图,包括顶端四腔心切面、顶端两院的观点,胸骨旁的烈度衰减视图和胸骨旁的极震区的观点。可穿戴的结果之间的差异和商业设备是可以忽略的。的胸骨旁的极震区的观点是特别有用的评估心肌的收缩功能基于其在径向运动方向和相对增厚,同时很容易从这个观点。在收缩和放松,健康的心肌发生应变和相应的壁厚变化:增厚在收缩和放松期间变薄。左心室的收缩功能的强度可以直接反映在超声图像通过心肌应变的大小。收缩功能异常,如失去活动能力,可以表明缺血性心脏病和心肌梗死gydF4y2Ba33gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba表、图表和图片可穿戴的心脏解剖结构和商业成像系统。可穿戴成像仪是放在胸骨旁的位置成像的胸骨旁的烈度极震区的观点和重新安置在顶端four-chamber顶端位置成像,两院的观点。gydF4y2BabgydF4y2Ba左心室壁的,17-segment模型表示。每个同中心地嵌套环组成的圆形图代表了胸骨旁的极震区的左心室心肌壁从一个不同的水平。gydF4y2BacgydF4y2Bab型图像的左心室基底,mid-cavity和顶端视图(上面一行)和相应的典型位移部分3,分别为10和14(底下一行)。左心室壁的物理区域由17-segment模型的每一部分已经贴上相应的极震区的观点。山峰都有红点。gydF4y2BadgydF4y2BaM-mode图片(左上)从胸骨旁的烈度衰减视图(左下)和相应的心电图信号。放大图显示了一个代表性的心动周期的不同阶段(右)。主要活动包括二尖瓣舒张开放在心电图p波,开放主动脉瓣和收缩在QRS波群和关闭在让主动脉瓣。交流,心房收缩;AMVL前二尖瓣传单;C.I.,commercial imager; ERF, early rapid filling; Ej., ejection; IVCT, isovolumetric contraction time; IVRT, isovolumetric relaxation time; IVS, interventricular septum; LA, left atrium; LV, left ventricle; LVIDd, left ventricular internal diameter end diastole; LVIDs, left ventricular internal diameter end systole; LVOT, left ventricular outflow tract; LVPW, left ventricular posterior wall; MV, mitral valve; RA, right atrium; RV, right ventricle; TV, tricuspid valve; W.I., wearable imager.
更好地定位特定的左心室壁可能是病态,17-segment模型可以作为标准的临床实践gydF4y2Ba33gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba)。我们把基底,mid-cavity和顶片的胸骨旁的极震区视图从左心室壁,并把它们分成段根据模型。每一段与一个特定的冠状动脉,允许局部贫血在冠状动脉局部失去活动能力的基础上,在相应的心肌gydF4y2Ba33gydF4y2Ba。然后我们记录心肌边界的位移波形(图gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。每个心动周期中的两座山峰的位移曲线对应于两个流入左心室在舒张。墙位移测量基底,顺序mid-cavity和顶端的观点,成为小由于减少的半径沿锥形形状的左心室心肌。gydF4y2Ba
运动方式(M-mode)图像跟踪活动随着时间的推移,在一维目标区域gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba35gydF4y2Ba。我们提取M-mode图像从胸骨旁的烈度表视图图像(图。gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba)。主要目标包括左心室室、隔膜和二尖瓣或主动脉瓣。在M-mode、结构信息,如左心室心肌厚度和直径,可以根据跟踪的边界之间的距离特性。瓣膜功能,例如,他们的打开和关闭速度,可以评估的基础上传单和间隔墙之间的距离(补充讨论gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。此外,我们可以关联M-mode机械活动的图像与心电图测量电活动同时在一个心动周期不同阶段(无花果。gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
监测期间运动gydF4y2Ba
应力超声心动图评估心脏反应压力锻炼或药物引起的,其中可能包括新的或恶化局部贫血表现为壁运动异常,并在冠状动脉疾病的诊断是至关重要的gydF4y2Ba36gydF4y2Ba。此外,受试者心脏衰竭有时似乎静止无症状,当心灵牺牲效率来保持同样的心输出量gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba。因此,通过把心在运动中对其局限性,缺乏效率变得明显。然而,在当前的程序,超声波图像前后只得到锻炼。笨重的设备,在运动过程中是不可能获得数据,这可能包含宝贵的实时洞察新异常时启动gydF4y2Ba39gydF4y2Ba(补充讨论gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。同样,因为图片是传统上获得运动后,快速恢复可以掩盖任何瞬态病理反应在考试压力,导致假阴性gydF4y2Ba40gydF4y2Ba。此外,终止运动的终点是主观的,这可能导致非最优测试。gydF4y2Ba
可穿戴式超声波补丁是理想的克服这些挑战。设备可以被附加到胸部以最小的约束运动的主题,提供一个连续记录心脏活动之前,期间和之后运动与运动的文物(扩展数据图可以忽略不计。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。这不仅在测试期间捕获实时响应,还提供客观数据标准化终点和提高患者安全测试(补充讨论gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。我们使用液态的有机硅作为耦合剂实现图像质量稳定而不是水性超声波凝胶随时间蒸发(补充无花果。gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba和gydF4y2Ba21gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)。我们观察到没有皮肤过敏或过敏后24小时连续穿(补充图。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba)。主体的心率保持稳定常数设备温度约32°C后,设备连续工作1 h(补充图。gydF4y2Ba23gydF4y2Ba)。此外,一台设备测试在不同的主题(补充图。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)。可再生的结果表明稳定、性能可靠的可穿戴成像仪。gydF4y2Ba
我们进行了应力超声心动图来演示设备的性能在运动(补充讨论gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。设备连接到主体连续记录沿胸骨旁的长轴在整个过程中,由三个主要阶段(无花果。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。在休息阶段,主体在仰卧位。在练习阶段,主体行使与几个间隔固定的自行车上,直到达成可能的最大心率。在经济复苏阶段,主题是放置在仰卧位。演示的设备不间断跟踪的左心室活动,包括相应的M-mode超声心动图和同步心率波形(图。gydF4y2Ba4 b, cgydF4y2Ba,扩展数据图。gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)。我们检查每个测试阶段的代表性剖面和提取左心室内部直径端收缩(LVIDs)和左心室内部直径结束舒张(LVIDd)(图。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba)。主体的LVIDs和LVIDd保持稳定在休息阶段(无花果。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba)。在练习阶段,室间隔和左室后壁的主题靠近皮肤表面,后者移动超过前者,导致减少LVIDs LVIDd。在经济复苏阶段,LVIDs和LVIDd慢慢恢复正常。差异部分缩短,衡量心脏肌肉收缩性,反映了对血液供应的需求变化的不同阶段应力超声心动图(无花果。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba)。尤其是第四节在无花果。gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba包括时间的锻炼和间隔休息,当深吸一口气的模式还可以看到从左心室后壁运动(无花果。gydF4y2Ba4 fgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba超声心动图,三个阶段的压力。在休息阶段,主题奠定了懒散的4分钟左右。在练习阶段,主题骑固定自行车大约15分钟,间隔休息。在经济复苏阶段,这个话题又懒散的大约10分钟。可穿戴成像仪在胸部的话题在整个测试中,即使在之间的过渡阶段。gydF4y2BabgydF4y2Ba从胸骨旁的中提取、连续M-mode超声心动图long-axis-view表整个过程的图像。关键特性的室间隔和左室后壁。休息,练习的阶段(间隔休息)和恢复都贴上标签。gydF4y2BacgydF4y2Ba变化,心率从M-mode超声心动图中提取。gydF4y2BadgydF4y2Ba放大图像的部分1 (rest), 2(锻炼)和3(复苏)(虚线框)gydF4y2BabgydF4y2Ba。gydF4y2BaegydF4y2Ba结束,左心室内部直径舒张(LVIDd)和左心室内部直径端收缩(LVIDs)的三个不同部分的波形记录和相应的平均分数普遍存在。gydF4y2BafgydF4y2Ba放大图像的第四节(虚线框)运动与间隔的休息gydF4y2BabgydF4y2Ba。在第一间隔,六次主题节奏深吸一口气,而在运动中,似乎没有明显的迹象,深吸一口气,可能是因为这个话题从横隔膜(rest)转向胸呼吸(运动),这是浅,通常花费更少的时间。gydF4y2Ba
自动图像处理gydF4y2Ba
心血管疾病往往与心脏的泵送能力的变化,这可能是衡量中风,心输出量和射血分数。非侵入式的、持续的监控这些指标都是有价值的对心血管疾病的早期检测和监控(补充讨论gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。关键信息体现在这些波形可以精确地确定潜在风险因素和跟踪的健康状态gydF4y2Ba41gydF4y2Ba(补充讨论gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)。前所未有的另一方面,处理图像数据流,如果手动完成,对临床医生是无法避免的,这可能介绍interobserver可变性,甚至错误gydF4y2Ba42gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
自动图像处理可以克服的挑战。我们深入学习神经网络应用于提取关键信息(例如,左心室体积在顶端四腔心切面)连续流的图像(图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba补充图。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)。我们评估不同类型的深度学习模型gydF4y2Ba43gydF4y2Ba通过输出图像和波形的左心室体积(扩展数据无花果。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba和gydF4y2Ba7gydF4y2Ba补充表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。FCN-32模型优于其他基于定性和定量分析(补充图。gydF4y2Ba26gydF4y2Ba补充表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)。我们还应用数据扩充扩展数据集,提高性能(补充图。gydF4y2Ba27gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba,工作流程示意图。预处理图像用于火车FCN-32模型。训练模型接受未经处理的图像和预测左心室(LV)体积,体积根据中风,心输出量和射血分数。gydF4y2BabgydF4y2Ba,左心室体积FCN-32模型生成的波形的可穿戴成像仪(W.I.)和商业成像仪(C.I.)(左)。关键特性详细标签在一个心动周期(右)。gydF4y2BacgydF4y2Ba的平均值,Bland-Altman分析(gydF4y2BaxgydF4y2Ba轴)和之间的区别(gydF4y2BaygydF4y2Ba轴)model-generated并手动贴上左心室容量的可穿戴(黑)和商业(红色)成像系统。虚线显示95%置信区间和大约95%的数据点在成像系统的区间。实线表示的意思是差异。gydF4y2BadgydF4y2Ba比较中风体积,心输出量和射血分数从结果中提取的可穿戴和商业成像系统。数据均值和金丝从十二心脏周期(gydF4y2BangydF4y2Ba= 12)。gydF4y2BaegydF4y2Ba左心室体积,model-generated波形在复苏阶段。gydF4y2BafgydF4y2Ba,记录从最初的三个代表性的部分,中间和结尾阶段gydF4y2BaegydF4y2Ba。收缩末期容积(ESV),舒张末期容积(类别),行程容积和射血分数(gydF4y2BaggydF4y2Ba)、心输出量和心率波形(gydF4y2BahgydF4y2Ba)来自左心室体积波形。体积收缩末期和舒张末期容积逐渐恢复到正常范围内最后一节。中风体积增加从约60毫升到70毫升。射血分数从80%降低到60%。心输出量减少约11分钟gydF4y2Ba−1gydF4y2Bal约9分钟gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,表明降低心率的bpm的175左右,增加到大约130 bpm阴影体积增加中风。,心房收缩;集成电路、等容收缩;红外光谱、等容放松;RI、快速流入。gydF4y2Ba
的输出左心室体积可穿戴和商业影像显示相似的波形形态(图。gydF4y2Ba5 bgydF4y2Ba(左)。从波形,可以确定相应阶段的一个心动周期(无花果。gydF4y2Ba5 bgydF4y2Ba,对无花果和扩展数据。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)。Bland-Altman分析给出了定量对比model-generated并手动贴上左心室卷,指示一个稳定和可靠的FCN-32模型的性能gydF4y2Ba44gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba5度gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)。左心室体积平均差异都是大约−1.5毫升,这对于医学诊断标准是可以接受的gydF4y2Ba45gydF4y2Ba。然后我们派生中风体积,心输出量和射血分数从左心室体积波形。无显著差异是在两个设备之间的平均值和标准差(无花果。gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba)。结果验证了类似性能的可穿戴成像仪商业成像仪。gydF4y2Ba
左心室体积是不断变化的,一般遵循稳态模式在健康受试者的休息。因此,中风,心输出量和射血分数也倾向于保持不变。然而,心脏疾病或普通的日常活动,如运动可以动态地改变这些指标。验证的性能可穿戴成像仪在动态的情况下,我们从录音中提取左心室体积在复苏阶段的应力超声心动图(无花果。gydF4y2Ba5 egydF4y2Ba)。左心室的尺寸无法准确地确定图像采集时站的位置,由于解剖人体(补充图的局限性。gydF4y2Ba28gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。由于深呼吸运动后,心里有时被肺部的形象。我们使用了一个image-imputation算法来补充阻塞部分(补充图。gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba讨论和补充gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)。获得的波形显示左心室容积的增加的趋势。图gydF4y2Ba5 fgydF4y2Ba说明了三个代表部分的记录从一开始,中间和结尾的复苏阶段。在初始部分,脱骱阶段因为心率高都不显眼。在中间部分,分离阶段变得可见。最后一节中,心率下降明显。舒张和收缩末期容量增加,因为期间心跳复苏放缓允许更多的时间来填补左心室的血液gydF4y2Ba46gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba5克gydF4y2Ba)。中风体积逐渐增加,这表明舒张末容积增加略高于收缩末期容积(无花果。gydF4y2Ba5克gydF4y2Ba)。射血分数减少心脏收缩减少在经济复苏(无花果。gydF4y2Ba5克gydF4y2Ba)。心输出量降低,表明一个更大的影响带来的降低心率比增加中风卷(补充讨论gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
讨论gydF4y2Ba
超声心动图在心脏疾病的诊断至关重要,但当前实现诊所很麻烦和限制了其应用在连续监测。新兴技术基于穿戴式刚性模块gydF4y2Ba25gydF4y2Ba或灵活的补丁gydF4y2Ba47gydF4y2Ba缺乏理想的属性的一个或多个可穿戴超声波技术(扩展数据表gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba)。在这项工作中,我们提供不间断帧收购心脏图像即使是进行强化练习。此外,可穿戴成像仪与深度学习了可操作的信息通过自动和连续输出曲线的关键心脏指标,如心肌位移、中风体积,射血分数及心输出量,在急救护理非常不错,心血管疾病管理和体育科学gydF4y2Ba48gydF4y2Ba。这在常规临床实践能力是前所未有的gydF4y2Ba9gydF4y2Ba和non-invasiveness可以延长门诊和体育人口的潜在好处。gydF4y2Ba
这项技术的意义远远超出了成像的心,因为它可以推广到其他深层组织形象,如下腔静脉、腹主动脉、脊柱和肝脏(补充图。gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba)。例如,作为囊肿在超声引导下活检过程通过幻影(补充图。gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba),两个正交成像部分目前整个检查过程同时,腾出一只手操作符(补充视频gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba)。这项技术的独特能力放弃操作员需要经常保持设备。gydF4y2Ba
其他未来可能接踵而来的努力进一步提高空间分辨率(补充图。gydF4y2Ba32gydF4y2Ba)。三维扫描仪只能提供静态人体胸部的曲率。适应动态胸部曲率,先进的成像算法需要开发补偿相位失真,从而提高空间分辨率。此外,可穿戴成像仪连接到后端数据处理系统通过一个灵活的电缆(补充图。gydF4y2Ba33gydF4y2Ba)和未来的工作需要关注系统小型化和集成。此外,FCN-32神经网络只能应用于对象目前在训练数据集。它的普遍性可以通过扩大训练数据集改进或优化网络few-shot-learninggydF4y2Ba49gydF4y2Ba或强化学习gydF4y2Ba50gydF4y2Ba策略,这将使该模型适应一个更大的人口。gydF4y2Ba
方法gydF4y2Ba
材料gydF4y2Ba
镓-铟共晶液态金属、甲苯、乙醇、丙酮和异丙醇从Sigma-Aldrich购买。实用(G1645)是来自古陆。硅胶(Ecoflex 00-30)从平稳对购买设备的封装材料。硅胶(Silbione)获得Elkem硅树脂作为超声耦合剂。Aquasonic超声波传输凝胶从帕克购买实验室。1 - 3复合(PZT-5H)从Del压电购买特产。银环氧树脂(冯卷3022 E-Solder)从EIS。各向异性导电薄膜从Elform购买电缆。gydF4y2Ba
设计和制造的可穿戴成像仪gydF4y2Ba
我们设计了传感器阵列的正交几何,类似于米尔斯十字阵列(补充图。gydF4y2Ba34gydF4y2Ba),同时实现双翼飞机标准的观点。传感器,我们选择了1 - 3复合材料发射和接收超声波,因为它拥有优越的机电耦合gydF4y2Ba18gydF4y2Ba。此外,1 - 3复合材料的声阻抗接近皮肤,声波能量最大化传播到人体组织gydF4y2Ba19gydF4y2Ba。支持层抑制了振铃效应,拓宽带宽,从而提高了空间分辨率gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba51gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
我们使用了一个自动对齐战略来制造正交数组。现有的焊接方法支持1 - 3复合层是第一个骰子支持层和1 - 3复合材料的许多小块,然后债券每一对在一起。模板需要对齐的小块。这种方法的效率很低。在这项研究中,我们债券支持层的一大块一大块的1 - 3复合然后骰子在一起成小块设计配置。丁数组然后自动对齐胶带高均匀性和完美的结合。gydF4y2Ba
基于共晶镓-铟液态金属电极组装来实现更好的拉伸性和加工分辨率高于现有基于serpentine-shaped铜薄膜电极。共晶镓-铟合金通常图案通过模板光刻技术等方法gydF4y2Ba52gydF4y2Ba、戴面具的沉积gydF4y2Ba53gydF4y2Ba、喷墨印刷gydF4y2Ba54gydF4y2Ba、微触印刷gydF4y2Ba55gydF4y2Ba或微流控传输gydF4y2Ba56gydF4y2Ba。尽管这些方法是可靠的,他们要么是有限的模式解决或需要复杂的光刻印刷硬件。复杂的硬件使制造复杂和耗时的,紧凑的发展带来了挑战,skin-conformal可穿戴电子产品。gydF4y2Ba
在这项研究中,我们利用一个新的技术模式。我们第一次丝网印刷一层薄薄的液体金属衬底。丝网印刷之前一个重要的考虑因素是如何让液态金属湿底物。为了解决这个问题,我们分散大液态金属粒子成小微粒子使用提示超声发生器(补充图。gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba)。当微粒接触空气,外层氧化生成一个涂层,这降低了表面张力和阻止那些微粒聚集。此外,我们使用1.5 wt。%实用作为聚合物基质分散液态金属粒子因为实用可以湿液态金属表面。我们也以实用为底物。因此,矩阵的实用和丝网印刷后的基质可以一起合并和治疗,使液态金属层有效地坚持衬底和统一。然后我们使用激光消融有选择地删除的液态金属衬底形成图案电极。gydF4y2Ba
大量的压电换能器元素数组中需要许多这样的电极分别处理每个元素。我们设计了一个基础课上电极和电极的共同点。有实用一层不同层的液态金属电极绝缘。公开所有连接到传感器电极层元素,我们使用激光消融钻垂直互连访问gydF4y2Ba21gydF4y2Ba。此外,我们创建了一个可伸缩的使用液态金属屏蔽层接地通过垂直互连访问,有效保护设备从外部电磁噪音(补充图。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
在我们附加电极传感器阵列之前,我们spin-coated toluene-ethanol解决方案(体积比的宣告)多层电极的顶部软化liquid-metal-based弹性体,也被称为“solvent-welding”。软化实用提供了足够的接触表面,这将有助于形成一个相对强劲的电极和金属之间的范德华力传感器表面。焊接电极传感器阵列之后,我们离开了装置在室温下让溶剂蒸发。超过200 kPa的最终粘接强度比许多商业粘合剂gydF4y2Ba22gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
封装设备,我们在培养皿中灌溉设备未硫化的有机硅弹性体(Ecoflex 00-30,很光滑)来填补这一缺口之间的顶部和底部电极和传感器之间的切口元素。然后我们治愈烤箱的有机硅弹性体10分钟在80°C。作为填充材料,它抑制寄生横波从相邻元素,有效地隔离元素之间的串扰gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba。说,我们认为抑制伪剪切波的主要原因是因为1 - 3复合环氧树脂,这限制了压电材料的横向振动。Ecoflex作为填充物可能贡献而不是扮演了主要角色,因为切口不太宽,µm只有100到200。我们起飞的载玻片上电极,直接覆盖上电极屏蔽层。然后我们从载玻片在底部电极释放整个设备。最后,印刷一个大约50-μm层设备表面的硅酮胶完成整个制造。gydF4y2Ba
液态金属电极的表征gydF4y2Ba
现有的可穿戴serpentine-shaped超声阵列可以实现很好的拉伸性的金属薄膜电极gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba。蛇形几何,然而,严重限制了功能组件的充填率,从而排除系统的发展需要集成密度高或一个小球场。在这项研究中,我们选择使用液态金属作为电极由于其庞大的内在的拉伸性,使高密度电极。有图案的液态金属电极的最小宽度约30μm槽约24μm(补充图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba),一个数量级细比其他可伸缩的电极gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba57gydF4y2Ba。液态金属电极连接数组和一个小的理想gydF4y2Ba58gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
这种液体金属电极表现出高电导率、杰出的拉伸性和拉伸应变下电阻变化可以忽略不计(无花果。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。最初的电阻在应变0% 1.74Ω(对应于11800年代左右的电导率gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba),类似的研究报道gydF4y2Ba59gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba。电极电阻与应变逐渐增加,直到达到大约750%破坏应变(无花果。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。相对电阻是一个参数广泛用于描述导体的电阻变化量(即液态金属电极在这种情况下)在不同菌株相对于初始阻力gydF4y2Ba58gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba。的相对阻力是没有单位的。应变为0%时,初始阻力gydF4y2BaRgydF4y2Ba0gydF4y2Ba是1.74Ω。750%应变下电极时,电极被打破和阻力gydF4y2BaRgydF4y2Ba在断裂点测量是44.87Ω。因此,相对电阻(gydF4y2BaRgydF4y2Ba/gydF4y2BaRgydF4y2Ba0gydF4y2Ba极限是25.79)。gydF4y2Ba
探讨电极疲劳,我们接受他们100%循环拉伸应变(无花果。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba)。最初的500次观察逐渐增加电极电阻由于液态金属,当拉伸,可以暴露更多的表面。这些新的表面与空气接触后被氧化,导致阻力增加(补充图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。在最初的500年周期,液态金属电极表现出稳定的电阻,因为经过一段时间的自行车,没有许多新表面暴露出来。gydF4y2Ba
这项研究是第一个使用液态金属电极连接超声波换能器元素。它们之间的结合强度直接决定设备的鲁棒性和耐力。这是尤其重要的可穿戴的补丁,将承受反复变形期间使用。因此,我们描述了传感器电极的粘结强度元素使用搭接剪切试验。液态金属电极首次保税与换能器元素。电极和元素的其他方面都是固定的,一层一层的强烈支持。支持层是夹的拉伸试验机的控制。样品将会损坏,如果他们被抓住直接夹紧。一个单轴拉伸应用于样品的应变率0.5gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba。测试了电极时剥落的换能器元素。实用的电影是保税换能器元素和我们进行搭接剪切测试使用相同的方法。曲线的高峰值被用来代表了搭接剪切强度(无花果。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba)。纯实用的电影之间的粘结强度和换能器元素大约250 kPa,电极和传感器之间的元素是大约236 kPa,都比许多商业粘合剂(补充表gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba)。结果显示强劲的电极之间的成键和元素,防止电极分层在各种变形。这个健壮的成键没有任何限制的超声压力可以传导。gydF4y2Ba
表征传感器的元素gydF4y2Ba
换能器的机电耦合系数元素计算是0.67,水平的商业调查(0.58 - -0.69)gydF4y2Ba61年gydF4y2Ba。这优越的性能在很大程度上是由于技术结合传感器元素和电极在室温下在这项研究中,它保护燥热引起损伤和去极化的压电材料。相角> 60°,大大超过大多数早期的研究gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba,这表明大部分的偶极子元素对齐后焊接gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba。大相角也证明了优秀的机电耦合装置的性能。介电损耗评估焊接过程是至关重要的,因为它代表的能量消耗的换能器元素在结合界面gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba。数组的介电损耗平均为0.026,与报道的刚性超声波探测器(0.02 - -0.04)gydF4y2Ba64年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba这种焊接方法,表明微不足道的能源消耗(补充图。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba)。响应回波特征在时间和频率域(补充图。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba),大约35 dB的信噪比和大约55%的带宽。一对相邻元素之间的串扰值和一双第二最近的邻国(补充图特征。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba)。相声低于平均标准−30 dB,表明较低的元素之间的相互干扰。gydF4y2Ba
描述的可穿戴成像仪gydF4y2Ba
我们特征的可穿戴成像仪使用商业多功能幻影与许多不同形式的反射镜,布局和声学阻抗在不同地点(cir at 539, cir Inc .)(补充图。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)。收集到的数据扩展数据表中给出gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。对于大多数测试,设备首次连接到幻影表面和旋转,以确保最好的成像平面。原始图像数据被保存到保证最低double-to-int8转换所造成的信息损失。然后原始图像数据处理使用的scanConversion函数k波工具箱中提供恢复扇形成像窗口(恢复数据)。我们应用五次upsampling纵向和横向方向。upsampled数据最终转化为dB使用单位:gydF4y2Ba
的穿透深度测试和一群行声阻抗高于周围的背景分布在不同深度的幻影。的穿透深度的定义是最深的深度的线是可微的背景(6分贝高像素值)。因为最深的线可以在这个研究是16厘米的深度和背景,仍可辨认的穿透深度是决定> 16厘米。gydF4y2Ba
精度定义为距离测量的精度。精度测试与垂直和横向组织的幻影。两者之间的物理距离最近的像素在垂直和横向方向计算为:gydF4y2Ba
我们收购了测量两条线之间的距离(图中显示为两个亮点)通过计算两者之间的像素点的数量乘以ΔgydF4y2BaygydF4y2Ba或ΔgydF4y2BaxgydF4y2Ba根据测量的方向。测量距离在不同的深度与地面比较事实数据表中描述。然后可以计算的准确性:gydF4y2Ba
横向精度提出了四个邻国的平均精度对侧线深度50 mm的幻影。gydF4y2Ba
空间分辨率测试使用横向和纵向的电线。决议在不同深度的半宽度的点扩散函数为每个计算线垂直或横向方向。纵向和横向分辨率可以派生的数量乘以像素内Δ半宽度gydF4y2BaygydF4y2Ba或ΔgydF4y2BaxgydF4y2Ba根据测量的方向。高程决议被旋转成像仪检测成45°角成像仪孔径和线。表中的亮点图片会显示散射成像平面。相同的过程计算横向分辨率应用获取高程决议。在不同的成像空间分辨率方面也具有外侧群电线。九线位于±4厘米,±3厘米,±2厘米,±1厘米和0厘米的中心。表的横向和轴向分辨率不同的图像电线用相同的方法计算。gydF4y2Ba
注意,横向分辨率与深度恶化,主要是因为接收波束形成(补充图。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba)。有两个beamformed信号,A和b点的横向分辨率(gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba)明显优于B点(gydF4y2BaxgydF4y2Ba2 gydF4y2Ba)。事实上,横向分辨率变得更糟的是,在所有超声成像深度是不可避免的,只要使用接收波束形成。gydF4y2Ba
至于不同的发射波束形成方法,宽束复合是最好的,因为它可以实现合成聚焦效果在整个受声波的作用区域。更好的聚焦效应,横向分辨率越高,这就是为什么的横向分辨率宽束复合比其他两个传输方法在同一深度。此外,多角度扫描用于宽束复合可以提高分辨率在高纬度地区。多角度扫描结合传输在不同角度实现全球高信噪比,从而提高员工的决议。gydF4y2Ba
高程分辨率只能当成像目标特征直接下的传感器。对于那些远离中心的目标,他们难以想象,这使得他们的高程决议具有挑战性的计算。描述高程决议时,设备应旋转45°。在这种情况下,大多数的反射超声波从这些电线无法返回到设备由于大入射角度。因此,这些电线不能表中捕获图像。一个可能的解决办法是减少设备的旋转角,这可能有助于捕获更多的横向电线分布表的形象。然而,一个小旋转角度将导致高程影像与横向图像合并,这就增加了误差计算高程决议。考虑到这些原因,我们只有高程分辨率的成像目标特征直接在传感器阵列。gydF4y2Ba
对比分辨率、最小对比成像系统,可以分化,与灰度测试对象。收集到的b型图像显示在无花果。gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba。由于目标和+ 3−3 dB,最低的对比在这项研究中,仍然可以被识别的图像,对比分辨率可穿戴成像仪决定的< 3 dB。gydF4y2Ba
超声波系统的动态范围是指对比范围,可以显示在监视器上。物体和背景之间的对比是由所有像素的平均灰度值表示对象的显示。的灰度值是线性比例对比。对比度越大,灰度值越大。因为显示窗口使用的数据类型的uint8区分灰度,动态范围被定义为灰度值的对比范围从0到255不等。gydF4y2Ba
对象与−15分贝对比平均灰度值最低,而对象+ 15分贝对比(补充图最高。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba)。在我们的案例中,有六个对象与背景不同的对比的幻影。最高的灰度值从159.8 + 15分贝的对象对比,而最低灰度值从38.7−15分贝对比的对象。时我们使用了一个线性适合推断对比相应的平均灰色值等于255和0,与对比39.2 dB和−24.0 dB,分别。然后动态范围被确定为:gydF4y2Ba
死区被定义为第一行的深度幽灵不被初始脉冲。死区是由成像测试一组特定的线幻影与不同深度下的设备(补充图。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba、位置4)直接和测量线幻影表可见的图像。gydF4y2Ba
成像仪的带宽之间的比率被定义为在频光谱半宽度和中心频率。它是衡量一个回波脉冲测试。一块玻璃被4厘米的设备和反射波形与单个传感器收集。收集到的反射波形被转换为一个快速傅里叶变换的频谱。半宽度是阅读从频谱。我们获得的带宽使用:gydF4y2Ba
对比敏感度代表设备的能力区分对象与不同的亮度对比gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba。与灰度的对比敏感度测试对象。对比敏感度被定义为contrast-to-noise比率(CNR)的对象有一定的对比表的背景图片:gydF4y2Ba
在这gydF4y2BaμgydF4y2Ba在gydF4y2Ba和gydF4y2BaσgydF4y2Ba在gydF4y2Ba是像素强度的平均值和标准偏差在对象,然后呢gydF4y2BaμgydF4y2Ba出gydF4y2Ba和gydF4y2BaσgydF4y2Ba出gydF4y2Ba是像素强度的平均值和标准偏差的背景。gydF4y2Ba
插入损耗被定义为能量损失的传输和接收。它在水中测试石英晶体,50Ω的函数发生器的输出阻抗和示波器(普源精电DS1104)。第一,传感器收到激励的形式的猝发音3-MHz正弦波函数发生器。然后同样的石英晶体传感器收到回声。考虑到1.9 - db能量损失的传输到石英晶体和2.2×10gydF4y2Ba−4gydF4y2BadB MHz(毫米)gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba水的衰减,插入损耗可以计算为:gydF4y2Ba
声场的仿真gydF4y2Ba
仿真计算的根均方声压定义仿真领域的每一点。均方根定义在下面的方程并给出了平均声压超过一定的时间,这是预定义的打包功能的软件。的方程,gydF4y2BaxgydF4y2Ba我gydF4y2Ba模拟的声压在吗gydF4y2Ba我gydF4y2Ba时间步长。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba是传播的模拟均方根声压场的正交变频器。使用MATLAB仿真做了超声波工具箱gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba。正交中的每个一维相控阵换能器给出了扇形声压场。模拟合并两个扇形声压字段。成像过程是用相同的参数模拟。gydF4y2Ba
在仿真中,我们定义了传感器参数:传感器的中心频率3兆赫,换能器的宽度为0.3毫米,传感器的长度为2.3毫米,数组的螺距为0.4 mm, 32个元素的数量和换能器的带宽55%。然后我们定义宽束复合(补充图。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba)作为传输方法:97传播的角度,从−37.5°+ 37.5°,步长为0.78°。然后声压场的整体效果是97传输。最后,我们定义了计算面积:−8毫米在横向方向,+ 8毫米−6毫米到+ 6毫米在高程方向和0毫米至140毫米的轴向方向。gydF4y2Ba
数据可用性gydF4y2Ba
在手稿或所有的数据是可用的gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
代码的可用性gydF4y2Ba
产生的代码,这个研究的结果是可用的gydF4y2Bahttps://github.com/UCSD-XuGroup/Wearable-Cardiac-Ultrasound-ImagergydF4y2Ba。gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
我们感谢吴z, r·陈和w·赵指导和讨论实验。我们感谢e . Echegaray m . Kraushaar郭x和y合威的超声心动图检测和咨询。这项工作是由美国国立卫生研究院(NIH) (1 r21eb025521-01 1 r21eb027303-01a1 3 r21eb027303-02s1和1 r01eb033464-01)。内容是完全的责任作者,不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。所有bio-experiments进行按照美国国立卫生研究院的道德准则和制度审查委员会批准的加州大学圣迭戈。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者和联系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
黄h, h . m . Li X.G.和徐美国设计的研究。黄h, h . m .李和L.Y.进行了实验。X.G.,R。Q. and M. Li designed and trained the neural network. H. Hu, H. Huang, M. Li and Y.M. performed the data processing and simulations. H. Hu, H. Huang and S.Xu analysed the data. H. Hu, H. Huang, M. Li, R.S.W., R.Q., S. Xiang, J.W. and S. Xu wrote the paper. All authors provided constructive and valuable feedback on the manuscript.
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行审查的信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba谢谢大卫•欧阳罗杰Zemp,另,匿名的,审稿人(s)为他们的贡献的同行评审工作。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。gydF4y2Ba
扩展数据数据和表gydF4y2Ba
扩展数据图1示意图和光学图像的正交成像仪。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba正交成像仪由四个武器,六个小元素在一列作为一个长期的元素相结合,和共享的一个核心组成部分的四个武器。蓝色和红色框标签长元素集成六小块在每个方向。在一个方向上的元素数量是32。元素之间的间距是0.4毫米。在前视图(光学图像gydF4y2BabgydF4y2Ba)和等距视图(gydF4y2BacgydF4y2Ba)显示形态学的正交数组。我们使用了一个自动对齐战略来制造支持的正交数组的键一大块用一块大的1 - 3层复合,然后一起切割成小元素设计配置。插图在gydF4y2BacgydF4y2Ba显示了元素的细节。1 - 3复合材料和支持层已经贴上标签。gydF4y2Ba
扩展数据图2描述相位校正对成像质量的影响。gydF4y2Ba
表一行幽灵从不同的情况下获得的图像(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)。离开,从平面的表面。中间,从一个没有相位校正的曲线曲面。对,与相位校正曲线的表面。gydF4y2BabgydF4y2Ba轴向和横向分辨率不同深度下这三种情况。没有发现明显的轴向分辨率的不同,因为它主要是依赖于换能器频率和带宽。可穿戴的横向分辨率成像相位校正后得到改善。图像采集(gydF4y2BacgydF4y2Ba),parasternallong-axis (PLAX)对心脏和(gydF4y2BadgydF4y2Ba),顶端四腔心切面当衡量一个平面探测器(左面板),弯曲探头没有相位校正(中间面板)和相位校正弯曲探头(右面板)。左心室的边界是由白色虚线标记的图像。gydF4y2BaegydF4y2Ba心脏指数显示,比较测量相位校正的影响。每个测量是基于连续五个心脏周期的意思(n = 5)。误差的标准差表示。gydF4y2Ba
扩展数据图3光学图像显示心脏超声成像的位置和方向。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba,胸骨旁的烈度衰减的观点。gydF4y2BabgydF4y2Ba,胸骨旁的极震区的观点。gydF4y2BacgydF4y2Ba,顶端四腔心切面。gydF4y2BadgydF4y2Ba,顶端两院的视图。正交可穿戴心脏成像结合胸骨旁的烈度极震区的观点(gydF4y2BaegydF4y2Ba)和顶端four-chamber和顶端两院意见不旋转(gydF4y2BafgydF4y2Ba)。可穿戴成像仪可以捕获两个胸骨旁的视图从一个位置或两个顶端视图从另一个单独的位置。胸骨和肋骨标签表明肋间隙。gydF4y2Ba
扩展数据图4 b型图像收集从一个主题用不同的姿势。gydF4y2Ba
收集到的四个视图时,主题是(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)、站(gydF4y2BabgydF4y2Ba),弯腰(gydF4y2BacgydF4y2Ba),躺平(gydF4y2BadgydF4y2Ba)和躺在他们一边(gydF4y2BaegydF4y2Ba)。PLAX和PSAX视图可以在不同的姿势保持质量,而质量的A4C和A2C视图只能实现当躺在一边。A2C顶端两院的观点;A4C顶端四腔心切面;PLAX,胸骨旁的烈度衰减;PSAX,胸骨旁的极震区的观点。gydF4y2Ba
扩展数据图5连续心脏成像期间休息,锻炼和恢复。gydF4y2Ba
休息期间代表表和M-mode图像(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)、运动(gydF4y2BabgydF4y2Ba)和恢复(gydF4y2BacgydF4y2Ba)。红线强调M-mode部分对应于当前表框架。补充视频中可以看到更多的细节gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
扩展数据图6的分割结果左心室不同深度学习模型。gydF4y2Ba
通过定性评价结果,我们没有发现“神经过敏”补充视频gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。分段的左心室收缩和放松自然的b型视频。最高的分割边界光滑的忠诚。表与原图像相比,FCN-32模型最好的协议在所有模型用于这项研究。gydF4y2Ba
扩展数据图7波形的左心室体积获得不同深度学习模型。gydF4y2Ba
这些波形从分段表相同的视频。定性,FCN-32模型生成的波形收益最稳定和最噪音,和波形形态更常数循环周期。定量,这些模型的比较结果补充图。gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,这表明FCN-32模型意味着十字路口联盟最高,显示本研究的最佳性能。gydF4y2Ba
扩展数据图8在心动周期不同阶段获得b型成像。gydF4y2Ba
表行A4C的图像、A2C PLAX和PSAX视图在同一阶段。表列图像相同的视图在心室充盈,心房收缩,等容收缩,弹射和等容放松。虚线强调当前阶段的主要特征。蓝色线意味着在标签室的体积收缩。红色线意味着在标签室的体积膨胀。黄线意味着保留在标签室的体积。A2C顶端两院的观点;A4C顶端四腔心切面;洛杉矶,左心房;LV,左心室; LVOT, left ventricular outflow tract; RA, right atrium; RV, right ventricle; PLAX, parasternal long-axis view; PSAX: parasternal short-axis view.
补充信息gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
这个文件包含补充讨论1 - 11,猴补充数据,补充表1 - 5和补充引用。gydF4y2Ba
补充视频1gydF4y2Ba
心脏长时间运行和短时间轴视图由正交阵列成像。gydF4y2Ba
补充视频2gydF4y2Ba
心脏顶端4和两院意见由正交阵列成像。gydF4y2Ba
补充视频3gydF4y2Ba
连续心脏成像期间休息,锻炼,和恢复。gydF4y2Ba
补充视频4gydF4y2Ba
左心室FCN-32分割结果。gydF4y2Ba
补充视频5gydF4y2Ba
在幻影成像引导活检的正交数组。gydF4y2Ba
权利和权限gydF4y2Ba
开放获取gydF4y2Ba本文是基于知识共享署名4.0国际许可,允许使用、共享、适应、分布和繁殖在任何媒介或格式,只要你给予适当的信贷原始作者(年代)和来源,提供一个链接到创作共用许可证,并指出如果变化。本文中的图片或其他第三方材料都包含在本文的创作共用许可证,除非另有说明在一个信用额度的材料。如果材料不包括在本文的创作共用许可证和用途是不允许按法定规定或超过允许的使用,您将需要获得直接从版权所有者的许可。查看本许可证的副本,访问gydF4y2Bahttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
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胡,H。,Huang, H., Li, M.et al。gydF4y2Ba一个可穿戴的心脏超声成像仪。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba613年gydF4y2Ba,667 - 675 (2023)。https://doi.org/10.1038/s41586 - 022 - 05498 - zgydF4y2Ba
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DOIgydF4y2Ba:gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/s41586 - 022 - 05498 - zgydF4y2Ba
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