Nešiojamas ultragarsinis prietaisas, įvertinantis žmogaus širdies struktūrą ir funkciją


Inžinieriai ir gydytojai sukūrė nešiojamą ultragarsinį prietaisą, galintį įvertinti ir žmogaus širdies struktūrą, ir funkciją. Nešiojamas prietaisas, kuris yra maždaug pašto ženklo dydžio, gali būti dėvimas iki 24 valandų ir veikia net intensyvaus fizinio krūvio metu.

Projektui vadovaujantis Kalifornijos universiteto San Diego nanoinžinerijos profesorius Sheng Xu sakė, kad tikslas yra padaryti ultragarsą prieinamesnį didesnei gyventojų grupei. Šiuo metu echokardiogramoms – širdies ultragarsiniams tyrimams – reikalingi aukštos kvalifikacijos specialistai ir dideli prietaisai.

„Ši technologija leidžia bet kam naudoti ultragarsinį vaizdą kelyje“, – sakė Xu.

Dėl pritaikytų AI algoritmų prietaisas gali išmatuoti, kiek kraujo siurbia širdis. Tai svarbu, nes širdis, kuri neperpumpuoja pakankamai kraujo, yra daugelio širdies ir kraujagyslių ligų priežastis. Ir problemos, susijusios su širdies veikla, dažnai pasireiškia tik tada, kai kūnas juda.

Darbas aprašytas žurnalo sausio 25 d Gamta.

Širdies vaizdavimas yra esminė klinikinė priemonė, leidžianti įvertinti ilgalaikę širdies sveikatą, nustatyti iškilusias problemas ir slaugyti sunkiai sergančius pacientus. Šis naujas nešiojamas, neinvazinis žmonėms skirtas širdies monitorius suteikia realiu laiku automatizuotas įžvalgas apie sunkiai fiksuojamą širdies siurbimo veiklą, net kai žmogus sportuoja.

Nešiojama širdies stebėjimo sistema ultragarsu nuolat fiksuoja keturių širdies kamerų vaizdus skirtingais kampais ir analizuoja kliniškai reikšmingą vaizdų pogrupį realiuoju laiku, naudodama specialiai sukurtą AI technologiją. Projektas grindžiamas ankstesniais komandos pažanga nešiojamų giliųjų audinių vaizdo gavimo technologijų srityje.

Didėjanti širdies ligų rizika reikalauja pažangesnių ir visapusiškesnių stebėjimo procedūrų. Teikiant pacientams ir gydytojams išsamesnę informaciją, nuolatinis ir realiu laiku atliekamas širdies vaizdo stebėjimas yra pasirengęs iš esmės optimizuoti ir pertvarkyti širdies diagnozių paradigmą.

Sheng Xu, Kalifornijos universiteto San Diego nanoinžinerijos profesorius

Palyginimui, esami neinvaziniai metodai turi ribotas mėginių ėmimo galimybes ir suteikia ribotus duomenis. Xu komandos sukurta nešiojimo technologija užtikrina saugų, neinvazinį ir aukštos kokybės širdies vaizdą, todėl gaunami didelės erdvinės, laiko skiriamosios gebos ir kontrasto vaizdai. „Tai taip pat sumažina paciento diskomfortą ir įveikia kai kuriuos neinvazinių technologijų, tokių kaip KT ir PET, apribojimus, kurie gali paveikti pacientus spinduliuote“, – sakė San Diego universiteto Xu grupės doktorantas Hao Huangas.

Dėl unikalaus jutiklio dizaino jis idealiai tinka judantiems kūnams. „Prietaisą galima pritvirtinti prie krūtinės, minimaliai suvaržant tiriamųjų judėjimą, netgi nuolat fiksuojant širdies veiklą prieš pratimą, jo metu ir po jo“, – sakė San Diego universiteto Xu grupės doktorantas Xiaoxiang Gao.

Širdies vaizdavimo svarba

Širdies ligos yra pagrindinė vyresnio amžiaus žmonių mirties priežastis, o dėl gyvenimo būdo veiksnių jos vis labiau plinta tarp jaunų žmonių. Širdies ligų požymiai yra laikini ir nenuspėjami, todėl juos sunku pastebėti. Tai padidino pažangesnių, visa apimančių, neinvazinių ir ekonomiškai efektyvių stebėjimo technologijų, pvz., ilgalaikio širdies vaizdavimo, paklausą, kurią palengvina šis nešiojamas prietaisas.

Širdies vaizdavimas yra viena iš galingiausių širdies problemų atrankos ir diagnozavimo priemonių, kol jos netampa problemomis. „Širdis patiria įvairiausių patologijų“, – sakė San Diego universiteto Xu laboratorijos doktorantė Hongjie Hu. “Širdies vaizdavimas atskleis tikrąją istoriją. Nesvarbu, ar stiprus, bet normalus širdies ertmių susitraukimas sukelia tūrio svyravimus, ar širdies morfologinė problema įvyko skubiai, rodo širdies vaizdo stebėjimas realiuoju laiku. visas vaizdas ryškiomis detalėmis ir vaizdiniu efektu.”

Kaip tai veikia išsamiai

Naujoji sistema renka informaciją per nešiojamą pleistrą, minkštą kaip žmogaus oda, sukurtą optimaliam prilipimui. Pleistras yra 1,9 cm (ilgis) x 2,2 cm (plotis) x 0,09 cm (aukštis) , maždaug pašto ženklo dydžio. Jis siunčia ir priima ultragarso bangas, kurios naudojamos nuolatiniam širdies struktūros vaizdų srautui generuoti realiu laiku. Šis ultragarsinis pleistras yra minkštas ir tamprus, puikiai prilimpa prie žmogaus odos net ir mankštos metu.

Sistema gali ištirti kairįjį širdies skilvelį atskirais dviejų plokštumų vaizdais, naudojant ultragarsą, sukuriant kliniškai naudingesnius vaizdus nei buvo anksčiau. Kaip naudojimo atvejį, komanda demonstravo širdies vaizdavimą mankštos metu, o tai neįmanoma naudojant standžią, sudėtingą įrangą, naudojamą klinikinėje aplinkoje.

Širdies veikimą apibūdina trys veiksniai: insulto tūris (kraujo tūris, kurį širdis išpumpuoja kiekvieną kartą), išstūmimo frakcija (kraujo procentas, išpumpuojamas iš kairiojo širdies skilvelio kiekvieną kartą) ir širdies tūris kraujo tūris, kurį širdis išpumpuoja kas minutę).

Xu komanda sukūrė algoritmą, palengvinantį nuolatinį, dirbtinio intelekto padedamą automatinį apdorojimą.

„Gilaus mokymosi modelis automatiškai segmentuoja kairiojo skilvelio formą iš nepertraukiamo vaizdo įrašymo, kadras po kadro išskirdamas jo tūrį ir sudarydamas bangų formas, kad būtų galima išmatuoti smūgio tūrį, širdies išstūmimą ir išstūmimo frakciją“, – sakė magistrantūros studentas Mohanas Li. Xu grupė UC San Diego.

„Konkrečiai, dirbtinio intelekto komponentas apima gilaus mokymosi modelį vaizdų segmentavimui, širdies tūrio skaičiavimo algoritmą ir duomenų priskyrimo algoritmą“, – sakė San Diego universiteto Xu grupės magistrantūros studentas Ruixiang Qi. “Naudojame šį mašininio mokymosi modelį, norėdami apskaičiuoti širdies tūrį pagal kairiojo skilvelio segmentacijos formą ir plotą. Vaizdo segmentavimo gilaus mokymosi modelis yra pirmasis, funkcionalus nešiojamuose ultragarso įrenginiuose. Jis leidžia įrenginiui pateikti tikslius ir nuolatinės pagrindinių širdies indeksų bangos formos skirtingose ​​fizinėse būsenose, įskaitant statinę ir po fizinio krūvio, ko dar niekada nebuvo pasiekta.

Taigi ši technologija gali nuolat ir neinvaziškai generuoti šių trijų indeksų kreives, nes AI komponentas apdoroja nuolatinį vaizdų srautą, kad sukurtų skaičius ir kreives.

Kurdama platformą komanda susidūrė su tam tikrais techniniais iššūkiais, kuriems reikėjo kruopštaus sprendimo. Norėdami pagaminti patį nešiojamąjį prietaisą, mokslininkai naudojo pjezoelektrinį 1-3 kompozitą, sujungtą su Ag-epoksidine pagrindo pagrindu, kaip medžiagą ultragarso vaizdo keitikliui, sumažindama riziką ir pagerindama efektyvumą, palyginti su ankstesniais metodais. Renkantis keitiklių matricos perdavimo konfigūraciją, jie pasiekė puikių rezultatų per plataus pluošto sudėtinį perdavimą. Jie taip pat pasirinko iš devynių populiarių mašininiu mokymusi pagrįstų vaizdų segmentavimo modelių, nusileisdami į FCN-32, kuris pasiekė didžiausią įmanomą tikslumą.

Dabartinėje iteracijoje pleistras kabeliais prijungiamas prie kompiuterio, kuris gali automatiškai atsisiųsti duomenis, kol pleistras vis dar įjungtas. Komanda sukūrė belaidę pataisos grandinę, kuri bus aprašyta būsimame leidinyje.

Tolesni žingsniai

Xu planuoja komercializuoti šią technologiją per „Softsonics“, įmonę, atskirtą nuo UC San Diego, kurią jis įkūrė kartu su inžinieriumi Shu Xiang. Jis taip pat skatina kitus savo mokslinės bendruomenės narius sekti jo pavyzdžiu ir dirbti tose šio tyrimo srityse, kurias reikia toliau tirti.

Siekdamas stebėti šiuos rezultatus, Xu rekomenduoja keturis neatidėliotinus veiksmus:

  • B režimo vaizdavimas, kuris suteikia daugiau diagnostikos galimybių, susijusių su skirtingais organais
  • Minkšto vaizdo įrenginio dizainas, leidžiantis tyrėjams gaminti didelius keitiklio zondus, kurie vienu metu apima kelias pozicijas
  • Užpakalinės sistemos, kuri maitina minkštąjį vaizdo grotuvą, miniatiūrizavimas
  • Siekiama sukurti bendrą mašininio mokymosi modelį, kuris tinka daugiau dalykų