DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2026.120490
تاريخ النشر: 2026-01-16
المؤلف: Yuanlong Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: مراقبة العلامات الحيوية غير الغازية
نظرة عامة
تقدم البحث لاصقة فوق صوتية قابلة للارتداء مصممة لمراقبة تدفق الدم بشكل مستمر، مما يعالج القيود الموجودة في التقنيات الحالية مثل التدخل والاعتماد على المشغل. تحتوي اللاصقة على ستة محولات فوق صوتية مرتبة بشكل متماثل وتستخدم قاعدة مائلة بزاوية 30 درجة لتحقيق زاوية سقوط دوبلر تبلغ 60 درجة. تم تبسيط عملية تصنيع الأقطاب المتعرجة، مما يلغي الطرق التقليدية مثل الطباعة بالنقل والتغطية الدورانية. تعمل اللاصقة بتردد مركزي يبلغ 5.05 ميغاهيرتز مع عرض نطاق -6 ديسيبل يبلغ 42.58% وتظهر قابلية تمدد مرنة تصل إلى 30%. تشير الاختبارات في المختبر إلى خطأ نسبي مطلق يتراوح بين 4.1% إلى 12% لسرعات التدفق التي تتراوح بين 20 إلى 100 سم/ث، مع خطأ مطلق متوسط (MAE) يبلغ 3.56 سم/ث وخطأ نسبي مطلق متوسط (MAPE) يبلغ 5.99%. تلتقط اللاصقة ديناميات التدفق النبضي بفعالية، مما يبرز إمكانياتها للمراقبة المستمرة.
في الختام، تعتبر اللاصقة فوق الصوتية القابلة للارتداء التي تم تطويرها مدمجة (2 سم × 4 سم، 2.01 غرام) وتتغلب على حجم المستشعرات التقليدية. تشمل الابتكارات الرئيسية عملية تصنيع مبسطة للأقطاب وبنية تحتية مصممة بدقة تعمل على تحسين زاوية سقوط شعاع فوق الصوتية لزيادة دقة القياس. يستخدم البحث طريقة أخذ عينات بطيئة الزمن لاستخراج تحولات تردد تدفق الدم، مما يقلل من المتطلبات الحاسوبية مع الحفاظ على الدقة. على الرغم من النتائج الواعدة، تواجه اللاصقة تحديات مثل تداخل الضوضاء البيئية والاعتماد على معدات إلكترونية كبيرة، مما يحد من إمكانية ارتدائها بالكامل. ستهدف الأبحاث المستقبلية إلى تعزيز قدرات اللاصقة المضادة للتداخل وتعزيز قابليتها للاستخدام في التطبيقات الواقعية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على القضية الصحية العالمية الحرجة التي تطرحها الأمراض القلبية الوعائية، التي تمثل حوالي 31% من جميع الوفيات في جميع أنحاء العالم، مع تأثير شديد بشكل خاص في الصين حيث تمثل 40% من الوفيات المرتبطة بالأمراض. يتم التأكيد على الديناميكا الدموية، دراسة ميكانيكا تدفق الدم، كأمر أساسي لفهم مسببات الأمراض القلبية الوعائية، والتقييم السريري، واستراتيجيات العلاج. من بين مختلف المعلمات الديناميكية الدموية، يتم التأكيد على سرعة تدفق الدم لحساسيتها في الإشارة إلى صحة الأوعية الدموية وشدة المرض، خاصة في تشخيص حالات مثل تضيق الأوعية الدموية.
تناقش الورقة قيود تقنيات مراقبة تدفق الدم الحالية، مميزة بين الطرق الغازية، التي تقدم دقة عالية ولكنها تحمل مخاطر وعدم راحة، والطرق غير الغازية، التي تفضل بشكل متزايد لسلامتها وسهولة استخدامها. تواجه التقنيات التقليدية غير الغازية، مثل الموجات فوق الصوتية دوبلر، تحديات تتعلق بصلابة المستشعر والحاجة إلى تعديلات يدوية، مما يحد من قابليتها للتطبيق للمراقبة المستمرة. أدت التطورات الأخيرة في الإلكترونيات المرنة إلى تطوير أجهزة فوق صوتية مبتكرة تت conform إلى الجلد، مما يمكّن من مراقبة تدفق الدم بشكل غير غازي ومستمر. يهدف البحث إلى تقديم حل موثوق وفعال من حيث التكلفة لمراقبة تدفق الدم باستخدام دوبلر، مما يعزز الكشف المبكر وإدارة الأمراض القلبية الوعائية.
الطرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تتفصل المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، بما في ذلك ظروف التحكم، أحجام العينات، وأي تقنيات عشوائية أو إخفاء تم تطبيقها لتقليل التحيز. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على التقنيات والمواد المستخدمة، مما يسمح بالتقييم النقدي وتكرار نتائج البحث.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى ارتباط قوي بين التدخل والآثار الملاحظة. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X وحدات، مما يدعم فعالية الطريقة المقترحة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تتماشى النتائج مع الأبحاث السابقة، مما يعزز صحة النهج. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه النتائج بشكل أكبر ومعالجة الحدود المحددة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش البحث مبادئ وتصميم لاصقة فوق صوتية قابلة للارتداء لمراقبة تدفق الدم. تستخدم اللاصقة تأثير دوبلر، الذي يسمح بحساب سرعة تدفق الدم من خلال قياس تحولات التردد لموجات فوق الصوتية الناتجة عن خلايا الدم الحمراء المتحركة. يتم تسليط الضوء على وضعي التشغيل: دوبلر الموجة المستمرة (CW Doppler)، الذي يمكنه قياس السرعات العالية ولكنه يفتقر إلى دقة النطاق، ودوبلر الموجة النبضية (PW Doppler)، الذي يقدم تحديد عمق دقيق للتقييمات المستهدفة. تعتمد الدراسة على PW Doppler لمزاياها في التحليل الديناميكي الدموي.
يتم تفصيل تصميم المحول فوق الصوتي، الذي يتكون من طبقة مطابقة، طبقة بيزوكهربائية، وطبقة دعم، مع اختيار مواد محددة لتحسين الأداء. يعمل المحول بتردد مركزي يبلغ 5 ميغاهيرتز، وتم توضيح عملية تصنيعه، بما في ذلك إنشاء هيكل تغليف مرن يسمح بالتمدد والتكيف مع حركة الجلد. تظهر تقييمات الأداء قدرة اللاصقة على قياس سرعات تدفق الدم بدقة، مع نتائج تشير إلى خطأ نسبي مطلق متوسط يبلغ 5.99% عبر معدلات تدفق مختلفة. ومع ذلك، تعترف الدراسة بالقيود المتعلقة بأخطاء القياس بسبب ملفات السرعة المنحنية والضوضاء البيئية، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية ستركز على تعزيز قدرات اللاصقة المضادة للتداخل وقابلية ارتدائها العامة للتطبيقات العملية في المراقبة الفسيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2026.120490
Publication Date: 2026-01-16
Author(s): Yuanlong Li et al.
Primary Topic: Non-Invasive Vital Sign Monitoring
Overview
The research presents a novel wearable ultrasound patch designed for continuous blood flow monitoring, addressing limitations of existing techniques such as invasiveness and operator dependency. The patch features six ultrasonic transducers arranged symmetrically and utilizes a baseplate angled at 30 degrees to achieve a 60-degree Doppler incident angle. The fabrication process for the serpentine electrodes has been simplified, eliminating traditional methods like transfer printing and spin-coating. The patch operates at a center frequency of 5.05 MHz with a -6 dB bandwidth of 42.58% and demonstrates an elastic stretchability of up to 30%. In vitro tests indicate an absolute percentage error of 4.1% to 12% for flow velocities ranging from 20 to 100 cm/s, with a mean absolute error (MAE) of 3.56 cm/s and a mean absolute percentage error (MAPE) of 5.99%. The patch effectively captures pulsatile flow dynamics, showcasing its potential for continuous monitoring.
In conclusion, the developed wearable Doppler ultrasound patch is compact (2 cm × 4 cm, 2.01 g) and overcomes the bulkiness of traditional probes. Key innovations include a simplified electrode fabrication process and a precision-engineered substrate structure that optimizes the ultrasound beam’s incident angle for improved measurement accuracy. The study employs a slow-time sampling method for extracting blood flow frequency shifts, reducing computational demands while maintaining precision. Despite its promising results, the patch faces challenges such as environmental noise interference and reliance on large electronic equipment, which limits full wearability. Future research will aim to enhance the patch’s anti-interference capabilities and further promote its usability in real-world applications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical global health issue posed by cardiovascular diseases, which account for approximately 31% of all deaths worldwide, with a particularly severe impact in China where they represent 40% of disease-related mortality. Hemodynamics, the study of blood flow mechanics, is emphasized as essential for understanding cardiovascular disease pathogenesis, clinical evaluation, and treatment strategies. Among various hemodynamic parameters, blood flow velocity is underscored for its sensitivity in indicating vascular health and disease severity, particularly in diagnosing conditions like vascular stenosis.
The paper discusses the limitations of current blood flow monitoring techniques, distinguishing between invasive methods, which offer high accuracy but pose risks and discomfort, and non-invasive methods, which are increasingly preferred for their safety and ease of use. Traditional non-invasive techniques, such as Doppler ultrasound, face challenges related to probe rigidity and the need for manual adjustments, limiting their applicability for continuous monitoring. Recent advancements in flexible electronics have led to the development of innovative ultrasonic devices that conform to the skin, enabling non-invasive, continuous monitoring of blood flow. The study aims to present a reliable, cost-effective wearable Doppler blood flow monitoring solution, enhancing early detection and management of cardiovascular diseases.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials utilized, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including control conditions, sample sizes, and any randomization or blinding techniques applied to minimize bias. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the techniques and materials used, allowing for critical evaluation and replication of the research findings.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting a strong correlation between the intervention and the observed effects. Specifically, the data showed an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X units, which supports the effectiveness of the proposed method.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results align with previous research, reinforcing the validity of the approach. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore these findings and address the identified limitations.
Discussion
In this section, the research discusses the principles and design of a wearable Doppler ultrasound patch for blood flow monitoring. The patch utilizes the Doppler effect, which allows for the calculation of blood flow velocity by measuring frequency shifts of ultrasound waves caused by moving red blood cells. Two operational modes are highlighted: continuous-wave Doppler (CW Doppler), which can measure high velocities but lacks range resolution, and pulsed-wave Doppler (PW Doppler), which offers precise depth localization for targeted assessments. The study adopts PW Doppler for its advantages in hemodynamic analysis.
The design of the ultrasonic transducer is detailed, comprising a matching layer, piezoelectric layer, and backing layer, with specific materials chosen to optimize performance. The transducer operates at a center frequency of 5 MHz, and its fabrication process is outlined, including the creation of a flexible encapsulation structure that allows for stretchability and adaptability to skin motion. Performance evaluations demonstrate the patch’s capability to accurately measure blood flow velocities, with results indicating a mean absolute percentage error of 5.99% across various flow rates. However, the study acknowledges limitations related to measurement errors due to parabolic velocity profiles and environmental noise, suggesting that future research will focus on enhancing the patch’s anti-interference capabilities and overall wearability for practical applications in physiological monitoring.