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内容概览
现有技术缺点
侵入性与依赖专业操作：目前膀胱容量的金标准测量方法是侵入性导尿法，虽精确但不适合常规使用。非侵入性超声成像需要专业设备和人员，无法实现连续监测。 不适合家庭使用：现有商用可穿戴设备只能粗略测量膀胱充盈度，精度低，无法满足诊断和治疗需求，并且需要超声凝胶，影响日常使用。
设备笨重，依赖外部设备：现有研究中的设备需要笨重的台式电子设备或有线连接，无法用于医院外的实时监测。
文章亮点
柔性可穿戴超声设备：作者开发了一种柔性、气囊式超声换能器，结合无线数据传输，能够在日常活动中进行自主、精确的膀胱容量连续监测，适用于不同年龄、膀胱形状和大小的人群。
小型化与低功耗：该设备采用了低功耗电子元件和A模式超声测量技术，搭载无线传输功能，通过蓝牙连接到手机，实现了小型化和持续监测。
气囊设计与球形拟合算法：气囊设计使得测量更加柔和贴合人体，球形拟合算法则提高了膀胱容量的估算精度，避免了复杂的超声成像计算。
应用场景
下尿路功能障碍患者：该设备为良性前列腺增生、多发性硬化症等膀胱功能异常的患者提供非侵入性、连续监测工具。
日常医疗监测：不仅适用于医疗环境，设备还适合在家中、日常活动中使用，扩展了膀胱监测的应用场景。
广泛的可穿戴超声应用：该技术还具有扩展性，可应用于其他领域的可穿戴超声设备，如生物监测、运动健康等。
总结
作者开发的柔性膀胱容量监测系统克服了传统方法的侵入性和操作复杂度问题，实现了无线、低功耗、可穿戴的高精度连续监测。这项技术不仅为LUTD的早期检测和治疗提供了创新工具，也为可穿戴超声设备的进一步发展提供了坚实基础。
文章名称：An integrated and flexible ultrasonic device for continuous bladder volume monitoring
期刊：nature communications
文章DOI：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50397-8
通讯作者：土耳其Koç University的Levent Beker教授
02
图文简介
集成超声设备的设计与工作原理
柔性的无线尿膀胱容量监测（UBVM）设备的设计概念和操作原理如图1所示。UBVM设备的三个主要子系统包括（1）毫米级的贴合超声换能器模块， （2）具有蓝牙低能耗功能的小型化电子设备，以及 （3）一个自定义的移动应用程序，该应用程序与UBVM硬件无线通信并显示膀胱容量测量结果（图1a）。除了PZT圆盘及其匹配层外，换能器模块还由柔性基板和软硅基封装层组成，以适应人类皮肤（图1b, c）。
图1 集成超声设备的设计与工作原理。 a UBVM设备的示意图，放置于下腹部，并展示其关键功能。该设备通过从多个位置持续测量膀胱的前后壁（A–P）距离，实现对膀胱容量的连续监测，并对测得的数据进行处理以估算容量。在UBVM硬件中，微控制单元（MCU）不断与脉冲发生器和接收模块进行通信，以激励超声换能器并记录来自膀胱前壁和后壁的回波。接收到的回波时间戳被传输至定制应用程序进行处理和可视化。b UBVM设备的爆炸视图，包括印刷电路板（PCB）和超声换能器的层。c 超声换能器的照片。
超声换能器的表征
为了实现简单、小巧且高效的可穿戴平台，作者选择了一种空气背衬设计，并采用环绕电极配置，前者显著提高了换能器的灵敏度，并能够在低驱动电压下进行测量，而后者则通过允许从同一平面访问电极简化了制造过程。图2a显示了换能器的横截面，包括结构层和气腔。为了补偿与空气背衬设计相关的较窄带宽并提高换能器性能，作者还在前面增加了一个匹配层。通过精细的激光刻蚀步骤，作者能够在微米级精度上优化匹配层的厚度，以实现最佳的换能器性能（图2b）。考虑到微控制器生成脉冲的频率限制、膀胱后壁的深度位置以及超声波在组织中的频率依赖衰减，选择2 MHz作为传感器的工作频率。
图 2 超声换能器的表征。a 超声换能器的横截面图，包括各层及空气背衬。空气背衬设计消除了由于吸收性背衬层导致的能量损失，并允许在较低电压下进行超声传感。b 通过导电性与频率图优化匹配层厚度。匹配层经过刻蚀，直至达到与换能器最大平坦导电性对应的厚度 tf。c 换能器的脉冲回波响应及其导出的频谱，突出了换能器的共振频率。虚线表示 -6 dB 带宽。d 换能器的阻抗和相位角频谱，显示在预期共振频率下的最小阻抗值。e 通过水听器捕获的换能器频率扫描。f UBVM 空气背衬换能器与带有背衬层的商业换能器的回波信号水平比较，显示出作者设计的灵敏度增强。g UBVM 换能器的压力场映射，突出了换能器的指向性。h 与换能器表面平行的 insonation 区域的横截面场图。
系统的电子设计与体外表征
图3a展示了带有制造电路板的传感器的真实照片。该系统使用六个集成电路（IC）来激励传感器、获取接收信号并传输记录的时间戳（图3b）。如图3c所示，微控制器单元生成触发脉冲和多路复用器通道选择代码，以便对单个传感器进行寻址。然后，多路复用器将触发脉冲传送到选定的脉冲发生器通道。脉冲发生器产生高压脉冲以激励传感器，并利用其嵌入的发送和接收开关将接收到的回波转发至接收电路。另一个由微控制器控制的多路复用器，使用相同的选择代码，将经过一组滤波器和放大器的回波信号导向比较器。比较器的输出由微控制器进行采样，以获取回波信号的时间戳，这些时间戳随后通过一个定制应用程序发送至手机，以进行音量估计。
图3 UBVM设备的电子设计与体外演示。 a UBVM设备的照片。b UBVM设备电子信号传输线的功能框图。c UBVM电子设备的时序图。由MCU和MUX选择一个传感器通道。两组相位差为180°的单极脉冲使脉冲发生器能够产生双极高压脉冲。接收到的回波通过脉冲发生器的内部开关传递至接收电路。回波被放大，经过比较器进行回波时间戳检测，并传输至移动电话进行处理和可视化。d 示意图展示了在不同频率下演示无线脉冲-回波能力的脉冲-回波设置。移动电话上显示的回波时间戳与示波器上的原始回波信号完全对应。e 整个系统的体外设置示意图。测试设置模拟了充满去离子水的膀胱，传感器通过1米长的柔性电缆连接到电子设备。f 实际体积与不同体积和形状的烧瓶测量体积的比较（n = 10），平均相对误差为14.85%。
连续膀胱容量测量能力的体内验证
图4 连续膀胱容积测量能力的体内验证。a 志愿者下腹部超声换能器的图像。b 志愿者膀胱的超声图像，探头为横向定位。c 志愿者膀胱的超声图像，探头为纵向定位。d 在一次完全排尿周期中的连续监测（红色）及换能器的前后距离测量。来自多个换能器的多次前后距离测量允许进行球形容积估计。e UBVM设备测量值与传统超声成像所测得容积的比较。A、B和F代表同一志愿者在不同时间点的测量，而C–E和G对应于不同志愿者的测量（n = 2）。f 在体内测量过程中在示波器上记录的原始回波信号。可以看到前回波和后回波。g MCU在接收电路后捕获的信号。这些时间戳用于膀胱容积估计。
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文献来源
Toymus, A.T., Yener, U.C., Bardakci, E. et al. An integrated and flexible ultrasonic device for continuous bladder volume monitoring. Nat Commun 15, 7216 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50397-8
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