Photonisches Hauterkennungsnetzwerk für Herz-Kreislauf-Erkrankungen

Jul 29, 2023

Compuscript Ltd

Bild: Abbildung 1. Hautähnliches Mikrofaser-Bragg-Gitter-Patch (μFBG).mehr sehen

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In einer neuen Veröffentlichung von Opto-Electronic Advances, 10.29026/oea.2023.230018, wird die räumlich-zeitliche hämodynamische Überwachung mithilfe einer konfigurierbaren hautähnlichen Mikrofaser-Bragg-Gittergruppe erörtert.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sterben jedes Jahr 17,9 Millionen Menschen an Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Für die Vorwarnung und genaue Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist es wichtig, die hämodynamischen Parameter kontinuierlich zu überwachen, einschließlich Blutdruck (BP), Herzfrequenz (HR), peripherer Widerstand (PR) und Gefäßelastizität. Weiche tragbare Geräte eignen sich gut zur Überwachung physiologischer Signale wie Elektrokardiogramm-Signale (EKG), Phonokardiogramm-Signale (PCG) und Pulswellen mit den Vorteilen der Echtzeitbetriebsfähigkeit, hautähnlichen mechanischen Eigenschaften und der Fähigkeit zur Erfassung eines hohen SNR. Das menschliche Herz-Kreislauf-System ist jedoch komplex und netzwerkartig verteilt. Monolithische hämodynamische Parameter, die mit aktuellen tragbaren Geräten erreicht werden, können den Gesundheitszustand des regionalen Gefäßsystems nicht ausreichend und präzise widerspiegeln. Eine räumlich-zeitliche hämodynamische Überwachungstechnik ist dringend erforderlich, um den ständig wachsenden Bedarf an klinischer Behandlung und täglichem Gesundheitsmanagement des Herz-Kreislauf-Systems zu decken.

Die durch das Faser-Bragg-Gitter (FBG) dargestellte Sensortechnik mit verteilten optischen Fasern (DOF) eignet sich ideal für die räumlich-zeitliche hämodynamische Überwachung. Seine räumlich verteilte Mehrkanal-Erfassungsfähigkeit, die hervorragende zeitliche Synchronisation und das Fehlen elektromagnetischer Störungen bilden die Grundlage für die Überwachung mehrerer physiologischer Signale mit hohem SNR. Allerdings weist die herkömmliche optische Faser aufgrund ihres starren und spröden Silica-Materials und des dicken Durchmessers von 125 μm eine sehr ausgeprägte mechanische Eigenschaft auf der Haut auf und reagiert kaum auf physiologische Signale, was ein stabiles und bequemes Tragen am Körper erschwert. Um die mechanische Diskrepanz zu beheben, wurde eine flexible Verpackungstechnologie eingesetzt. Dennoch stellen eine übermäßig dicke Kapselung und die geringe Empfindlichkeit kommerzieller FBG-Geräte ein Hindernis bei der Erkennung subtiler physiologischer Signale dar und schränken dadurch ihre potenziellen Anwendungen in tragbaren Geräten ein. Optische Mikrofasern zeichnen sich nachweislich durch hervorragende Flexibilität, Konfigurierbarkeit und große evaneszente Felder für eine hochempfindliche Erfassung aus. Allerdings ist es mit den vorhandenen Geräten auf Basis optischer Mikrofasern schwierig, räumlich verteilte, zeitsynchronisierte und Multiparameter-Erfassungsfunktionen ohne eine Strategie zur Wellenlängenkodierung zu erreichen.

Die Autoren dieses Artikels schlagen eine räumlich-zeitliche hämodynamische Überwachungstechnik vor, die auf einer hautähnlichen Mikrofaser-Gittergruppe basiert. Bei dieser Technik werden Mikrofasern und eine ultradünne, flexible Verpackungstechnologie verwendet, um hautähnliche Mikrofaserpflaster herzustellen. Durch die wirksame Reduzierung des Äquivalentmoduls des Geräts und der Querschnittsfläche der Mikrofaser wird die Stressreaktion des Pflasters um zwei Größenordnungen verbessert (die Empfindlichkeit beträgt 5,26 nm/N bei einer Belastung innerhalb von 50 mN). Es zeigt auch eine große Wiederholgenauigkeit und Stabilität unter 10.000 Belastungskreisen. Darüber hinaus nutzt die Technik die Femtosekunden-Laser-Direktschreibtechnologie, um Bragg-Gitter nicht-invasiv in das Innere der Mikrofaser einzuschreiben und so unterschiedliche Wellenlängenkodierungen für mehrere Mikrofaser-Patches bereitzustellen, was die synchrone Mehrkanal-Erkennung ermöglicht. Durch die Reihenschaltung von Mikrofasergitter-Patches (μFBG) können mehrere physiologische Signale an verschiedenen Knoten des menschlichen Körpers gleichzeitig erfasst und durch unterschiedliche Arbeitswellenlängen unterschieden werden. Da sich die lichtbasierten physiologischen Signale in der μFBG-Gruppe nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, wird die Zeitsynchronisation nur durch den FBG-Interrogator begrenzt. Durch die Erfassung des Signals des proximalen Ballistokardiographen (BCG) und der distalen Pulswelle an jeder oberflächlichen Arterie im menschlichen Herz-Kreislauf-System und die anschließende Berechnung der Pulswellenübertragungszeit (PTT) wird die Technologie zur Überwachung der räumlich-zeitlichen Hämodynamik etabliert.

Durch die Erkennung mechanischer Signale am proximalen und distalen Ende des Herz-Kreislauf-Systems anstelle von elektrophysiologischen Aktivitätssignalen kann die Überwachungstechnik die tatsächliche Dynamik des systemischen Herz-Kreislauf-Systems wie Herzschlag, Angiektase und Pulswellenausbreitung darstellen. In dieser Studie werden drei hämodynamische Überwachungsmodi vorgestellt. Zunächst wurden Pulswellen verschiedener oberflächlicher Arterien im menschlichen Körper, wie der Halsschlagader, der Arteria radialis und der Pedalarterie, gesammelt und PTTs mithilfe des BCG-Signals analysiert. Unterschiedliche PTTs entstehen durch Unterschiede in der Länge, dem Durchmesser und dem Elastizitätsmodul der Blutgefäße. Dieser Modus könnte die Gesundheitsbewertung lokaler Arterienzweige im Herz-Kreislauf-System ermöglichen. Zweitens zeichnete die μFBG-Gruppe dynamisch die zweikanaligen physiologischen Signale der Probanden während des Trainings- und Ruheprozesses auf. Die Herzfrequenz wurde anhand des Herzzyklus berechnet und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulswelle änderte sich zusammen mit dem Blutdruck. Darüber hinaus zeichnete die μFBG-Gruppe die physiologischen Zweikanalsignale dynamisch auf, wenn der äußere Druck ausgeübt wurde, und die Änderungen der PTT konnten die unterschiedlichen Grade des peripheren arteriellen Widerstands empfindlich widerspiegeln. Diese Technik zur Echtzeitüberwachung des lokalen peripheren Gefäßwiderstands wurde erstmals vorgeschlagen.

Diese Studie entwickelt die synchrone Mehrkanal-Sensortechnologie auf Basis der hautähnlichen μFBG-Gruppe, die erhebliche Vorteile wie zeitliche Dynamik, räumliche Verteilung, einfache Vernetzung und Konfigurierbarkeit, hohe Empfindlichkeit und hohe Flexibilität bietet. Die vorgeschlagene räumlich-zeitliche hämodynamische Überwachungstechnologie verfügt über die Fähigkeit, den Gesundheitszustand der lokalen Blutgefäße im gesamten Herz-Kreislauf-System in Echtzeit und dynamisch zu bewerten, was das große Potenzial bei der Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Arrhythmie, Angiosklerose, Bluthochdruck und Thrombose zeigt Dies erleichtert eine präzise klinische Diagnose, das schnelle Screening von Läsionen und das tägliche Gesundheitsmanagement.

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Dr. Fei Xu ist derzeit Professor am College of Engineering and Applied Sciences der Universität Nanjing, China. Er ist Preisträger der National Science Foundation for Distinguished Young Scholars (2019) der National Natural Science Foundation of China. Er ist außerdem Fellow von SPIE und Senior Member von Optica/IEEE. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf optischen und elektrischen intelligenten Sensortechnologien. Bis heute hat er 9 Buchkapitel verfasst oder mitverfasst, > 20 eingeladene Rezensionen verfasst, > 50 Patente (China und im Ausland) erteilt, 4 PCT- und US-Patente erteilt und > 160 von Experten begutachtete Artikel in wissenschaftlichen Fachzeitschriften verfasst, darunter Science Advances, Optica, Licht: Wissenschaft und Anwendung, fortgeschrittene Photonik, fortgeschrittene Materialien usw. in den zuvor genannten Bereichen.

Homepage von Professor Fei Xu: https://eng.nju.edu.cn/xf/main.htm

Mit Lichtwellenleitern als Träger hat das Labor nach über zehn Jahren akkumulierter hochpräziser Verarbeitungstechnologien wie Mikro-/Nano-Verarbeitungstechnologien und Femtosekunden-Laserverarbeitungstechnologien eigenständig optische faserintegrierte Geräte und Systeme mit ultrahoher Präzision und hervorragender Leistung entwickelt entwickelte Grenzanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der medizinischen Diagnose, der Glasfaserkommunikation, der Sicherheitsüberwachung, der biochemischen Analyse und anderen Bereichen. Mit der Unterstützung wichtiger nationaler Anforderungen und Schlüsselprojekte konzentriert sich das Labor auf wissenschaftliche Fragen der Glasfaserintegration der nächsten Generation, der Mensch-Computer-Interaktion und der rechnergestützten Sensorik und entwickelt Innovationen bei fortschrittlichen optoelektronischen Geräten, Integrationsmethoden sowie Algorithmen und Architekturen neuartige Modelle durch die Verschmelzung von physikalischer Optik, Materialwissenschaften, Elektronik, maschinellem Lernen, Mikro-/Nanooptik und Computer Vision.

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Opto-Electronic Advances (OEA) ist eine hochwirksame, frei zugängliche, von Experten begutachtete monatliche SCI-Zeitschrift mit einem Impact-Faktor von 8,933 (Journal Citation Reports für IF2021). Seit seiner Einführung im März 2018 wurde die OEA im Laufe der Zeit in den Datenbanken SCI, EI, DOAJ, Scopus, CA und ICI indexiert und ihr Redaktionsgremium auf 36 Mitglieder aus 17 Ländern und Regionen erweitert (durchschnittlicher h-Index 49).

Die Zeitschrift wird vom Institut für Optik und Elektronik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften herausgegeben und zielt darauf ab, Forschern, Akademikern, Fachleuten, Praktikern und Studenten eine Plattform für die Vermittlung und den Austausch von Wissen in Form hochwertiger empirischer und theoretischer Forschungsarbeiten zu bieten den Themen Optik, Photonik und Optoelektronik.

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Zhu HT, Luo JX, Dai Q, Zhu SG, Yang H et al. Räumlich-zeitliche hämodynamische Überwachung über eine konfigurierbare hautähnliche Mikrofaser-Bragg-Gittergruppe. Opto-Elektronen-Adv6 , 230018 (2023). doi: 10.29026/oea.2023.230018

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Optoelektronische Fortschritte

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