用于估计膀胱容积的前瞻性超声可穿戴扫描仪系统

　　本研究提出了一种用于连续容量监测的可穿戴膀胱扫描仪。膀胱扫描仪被实施为一个系统，该系统集成在薄基板上的5×5压电元件阵列。

　　准确测量膀胱容积是评估膀胱功能的重要工具。在这项研究中，我们提出了一种可穿戴膀胱扫描仪系统，该系统能在日常生活中为需要尿动力学研究的泌尿患者连续测量膀胱体积。该系统由一个二维阵列组成，这中间还包括带有薄基板的集成前视压电换能器。本研究旨在使用少量压电换能器估计膀胱的体积。采用最小二乘法优化二次曲面方程中的椭球体，用于膀胱体积估计。对猪膀胱进行了离体实验，验证了所提出的系统的有效性。这项工作展示了可穿戴膀胱监测方法的潜力，与商业膀胱成像系统相比，该方法具有相似的测量精度。可穿戴膀胱扫描仪能够最终靠在当前功能中添加更多功能来进一步改善电子排尿日记。

　　由于人口老龄化，排尿是健康的重要指标。下尿路症状（LUTS）是与尿循环储存和排泄期有关的疾病，包括尿失禁、夜间排尿和残尿。LUTS是常见疾病，占全球人口（45岁以上成人）的2.20%[1]。LUTS影响患者的生活品质，大多数患者仍然得不到管理。据报道，患者的工作效率、性行为和整体健康水平较低，抑郁症状和勃起功能障碍的发生率高于普通人[2，3，4，5]。

　　应进行各种测试以准确诊断LUTS。其中，检查膀胱的状况是必不可少的。评估膀胱状况的方法有使用导尿或超声测量。导尿术包括将导管插入膀胱并测量排尿后的残余尿液量。它是测量排尿后残余体积的金标准[6]。侵入性办法能够准确测量尿量。然而，导尿术使患者感到不舒服和可耻。也有感染和创伤风险的报道[7，8]。超声方法使用脉搏回波技术测量膀胱的体积。有各种专为 2-D 和 3-D 超声检查设计的超声成像系统。超声成像系统是非侵入性的，可减少导尿。与导管相比，导管的准确性无显著差异[9，10，11]。这些成像系统难以客观地识别膀胱在尿液储存和排出过程中的功能，旨在供医务人员用于泌尿科诊断。

　　尿动力学研究 （UDS） 是通过再现泌尿系统症状来评估下尿路变异的测试。UDS最准确地反映尿动力学;然而，它们是侵入性的，作为一次性测试有几个局限性。而且，还有一个致命的缺点，就是只有能够沟通的患者才能接受检测。对于有脊髓损伤或脑梗塞或脑出血的患者，UDS更有必要。对需要评估尿动力学的患者，有必要测量可以反映膀胱动力学的膀胱体积的动态变化，这能够最终靠可穿戴系统的开发来测量。

　　最近，使用近红外光谱[12，13]，生物阻抗[14，15]和超声[16，17，18，19，20]对可穿戴非侵入性测量设备做了研究。近红外光谱和生物阻抗技术假设盆腔器官的光学和电学特性是恒定的，并且测量值的变化是由膀胱中尿液量的变化引起的。这些技术很有用，因为它们允许相对自由地放置设备和连续监控。然而，这一些方法使得难以在光学和电学特性允许间接估计膀胱体积的水平上准确诊断患者。Kristiansen使用超声方法通过开发圆形超声监测仪来测量17例男性和13例女性的膀胱体积[16]。测量女性时，测量精度较低。Van Leuteren和Kuru使用可穿戴儿童超声监测仪测量了儿童膀胱的长度[17，18]。可穿戴超声监护仪已商业化，用于管理LUTS患者（如SENS-U儿童和Dfree）的膀胱充盈[18，19，20]。商业产品有助于根据测量的膀胱长度管理用户的排尿周期。它们不用于测量膀胱体积。因此，UDS的替代方案需要一个连续的膀胱容量监测系统来诊断患者。

　　在这项研究中，我们提出了一种可穿戴超声设备的原型，该设备能在需要UDS的患者的日常生活中连续测量膀胱体积。这项工作证明了膀胱监测在可穿戴超声换能器阵列中的可行性。

　　本文的其余部分组织如下。第2节介绍了一种器件设计方法。第3节描述了设计，制作的完整过程和体积估计方法的声学分析。第4节介绍了所提方法的实施结果。最后，第 5 节和第6 节介绍了讨论、结论和未来工作的途径。

　　我们的目标是制造一种可穿戴设备，该设备由二维矩阵中的传感器组成，并持续监测膀胱，如图1一个。人们每天排尿1-2升，排尿250-350毫升，每天4-6次。正常膀胱的最大容量为 500 mL。当膀胱容量为 200-300 mL 时，人们会感到排尿的冲动。膀胱位于下腹部中央，靠近盆骨。膀胱前壁距腹壁约 40 mm。充盈膀胱比空膀胱更靠近腹壁。根据尿量，膀胱壁厚度从3到15毫米不等。

　　图1拟议的前瞻性可穿戴膀胱扫描仪系统的图示：（a）前视图和（b）侧视图。这项工作，“拟议的前瞻性可穿戴膀胱扫描仪系统的插图”由Bruce Blaus在CC BY-SA下授权。

　　可穿戴膀胱扫描仪系统模块设计为超声换能器阵列，用于测量膀胱壁的位置。它放置在耻骨上方 2 厘米处，与肚脐对齐，并用电线或皮带固定。所提出的传感系统基于前瞻性脉冲回波技术，该技术在下腹部使用低调超声换能器。每个元件接收来自膀胱前壁和后壁的反射信号，如图1b.膀胱深度定义为膀胱壁接收的振幅阈值之间的差异。体积是通过根据测量的膀胱壁的位置插值膀胱的形状来估计的。

　　膀胱的宽度和高度可能扩大到8厘米以上。位置和曲率因膀胱的大小而异。因此，在本研究中，膀胱被认为是椭球体。基于位置和曲率的特征插值允许通过少量 2-D 阵列估计膀胱体积，因此它被设计为 2 个× 5 个通道的 5-D 矩阵。排尿后膀胱的正常大小不超过50毫升，宽度和高度约为4厘米。换能器阵列的所有通道由 10 mm 和 40 mm × 40 mm 的间距组成，用于在排尿后向小膀胱壁传输。

　　使用谐振频率为2.2MHz的压电换能器，考虑膀胱壁厚度和软组织衰减（0.54dB/cm MHz）[21]。为了确定横向分辨率，即膀胱的曲率，必须分离每个元件之间的光束图案。压电换能器的适当尺寸是通过考虑压电换能器阵列的有限尺寸和方向性来确定的。方向性由下式给出其中θ是方向性（弧度），λ是波长（mm），D是压电换能器的直径（mm）。压电换能器的尺寸为8 mm×8 mm，方向性小于10°。

　　压电材料的声阻抗与身体组织的声阻抗明显不同。身体组织和压电材料之间的阻抗不匹配导致灵敏度低和带宽窄。使用压电材料的器件的性能取决于声阻抗的适当匹配。声学失配问题能使用四分之一波长匹配层来解决。通过匹配层从压电材料到介质的传输是匹配层内多个混响的总和。四分之一波长匹配层确保所有传输混响具有相同的相位，因为压电材料的波长振动了其厚度的一半[22]。当由压电材料（Zp）、匹配层 （Zm）和软组织（Zs），发射能量与匹配层上的入射能量之比由下式给出

　　Krimholtz、Leedom和Matthaei（KLM）传输线模型是通常用于确定电气和机械换能器特性的等效电路模型[23，24]。荷航模型的优点是假设压电换能器的声学部分作为传输线，使其更容易物理解释，并且比有限元分析 （FEA） 更省时。使用KLM模型分析频率响应，以确定理想条件下适合软组织的匹配层的特性。荷航模型由背声层、压电材料、电端口（C0、C）、匹配层和前声层，如图2.假设压电材料具有空气背衬层，以最大限度地提高向介质的功率传输并最大限度地减少损耗。静态电容的值（C0）、电容 （C） 和变压器比 （φ） 由下式给出

　　其中d，A0,Zc,kt、ε和f0分别是换能器的厚度、面积、声阻抗、压电耦合常数、介电常数和谐振频率。

　　KLM模型进一步简化为电端口和正向声端口之间的传输矩阵（ABCD矩阵）[25]。压电换能器或匹配层的传输线模型定义为具有声阻抗、传播常数和厚度变量的矩阵。传播常数（γ）可以根据声速（c）和品质因数（Q）计算。ABCD 矩阵可以表示为：

　　其中i可以表示为压电换能器层、匹配层和声学层的传输线矩阵。传输矩阵与电路和压电换能器的关系如下：

　　其中V是源电压，I是源电流，F是正面的力，u是正面的粒子速度。ABCD矩阵系数由电矩阵、机电矩阵、压电换能器和匹配层对应的单个矩阵相乘得到。如果源阻抗（Zs）和电压已知，传输灵敏度可以计算为基于上述考虑，采用KLM模型确定匹配层的属性，并对频率响应特性进行评估。

　　FEA 使用商用 FEA 封装仿真软件（COMSOL Multiphysics， COMSOL Inc.，瑞典斯德哥尔摩）进行，以根据所设计器件的频率预测压力和声压的分布。FEA是根据可穿戴膀胱扫描仪的设计确定的频率设计的。有限元分析由二维轴对称平面单元组成，以减少重建问题的大小和计算时间。使用集成板和压电换能器对几何形状进行了建模，如图3.该模型的总尺寸为35毫米宽和95毫米高。模型的几何形状和材料属性基于制造的压电元件。应用了以下边界条件：整个结构是自由的。压电换能器、板和匹配层由弹性层组成。压电换能器的顶面施加1 V电位，与匹配层接触的压电换能器的底面接地。每种材料的网格尺寸由小于感兴趣频率波长1/10的矩形元件组成。计算面积的所有外部边界均定义为吸收边界条件。

　　选择的压电材料是PZT-5A，长8毫米，厚1毫米。该板厚1.6毫米，FR-4材料用于印刷电路板（PCB）。匹配层材料应具有 7.6 MRayl 的声阻抗，以改善与公式 （5） 中的 PZT-35A （42.1 MRay） 和软组织 （63.3 MRayl） 的耦合。匹配层是环氧树脂和氧化铝粉末的混合物[26]。声阻抗为7.62 MRayl，厚度为373 μm，是四分之一波长。板之间的空间填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）。为了提高前介质的功率，使用了空气支持的传感器配置。在压电换能器的背面创建了一个用于空气背衬的孔，该孔的直径为 7.6 毫米。前面的培养基设置了类似于软组织的声阻抗的水。有限元分析中使用的材料的物理参数列在表1.仿真是在压电换能器下是否存在匹配层的情况下进行的。频率响应信号是在距离压电换能器60 mm处提取的。

　　可穿戴膀胱扫描仪中的超声换能器被实施为配置有 1 mm 厚 PZT-5A （T180-A4N0-2929，美国马萨诸塞州沃本）的阵列。PZT-5A 与具有出色输出性能的 PZT-5H 不同，它对其他工艺很有用，因为它对温度变化不敏感。考虑到PZT-5A的方向性和尺寸，使用激光切割将其切割成8毫米×8毫米的尺寸。压电换能器由一个 5 × 5 阵列组成，每个元件的间距为 10 mm。两个板与压电阵列集成在一起。压电元件和目标介质之间的板用400μm厚的板制造，以调整匹配层的厚度。板的材料是用于电气连接的PCB（FR-4）。可穿戴膀胱扫描仪的原型是使用以下生产工艺生产的，如图4一个。压电换能器使用导电环氧树脂与板粘合（CW 2400，Chemtronics Inc.，肯尼索，佐治亚州，美国）。每个压电换能器都与板电连接。由两部分组成的导电环氧树脂应以1：1的比例混合1分钟。热板可用于快速固化导电环氧树脂。匹配层使用200nm氧化物铝粉（AV-AL803200N，韩国仁川Avention）和环氧树脂（EPO-TEK 301，Epoxy Technology Inc.，Billerica，MA，USA）生产，以匹配压电换能器和软组织的声阻抗。EPO-TEK 301由树脂和固化剂组成，以4：1的重量比混合，并搅拌。两部分充分摇匀后，将EPO-TEK 301与氧化铝粉末以1：1.3的重量比混合，搅拌10 min。使用线，Robinair Inc.，沃伦，密歇根州，美国）在压力室中对混合物进行脱气。压力室内部保持在100kPa20分钟。将混合物施加到400μm的压电换能器上，约四分之一波长，并在24°C下固化25小时。设备的内部和外部采用PDMS模制，以防止压电换能器之间的电气干扰和污染。PDMS以相同的方法脱气，并在80°C下加热固化2 h。

　　图4(a） 提出的可穿戴膀胱扫描仪的制造工艺原型。制造设备的照片：（b） 底视图和 （c） 与 I/O 连接部件相结合的侧视图。

　　在该原型中，总共使用了25个压电换能器，并分布在7 cm×6 cm的矩形表面上，如图4b.传感器的操作可以通过将电缆连接到I/O连接部分（图4在临床实践中，可能需要更多的换能元件或其他板材料来估计膀胱体积。

　　通常假定膀胱的形状为椭球体、三棱柱、立方体或圆柱体，以估计体积[27]。膀胱体积是通过将每种形状的宽度、深度、高度和指定系数相乘来计算的。每个尺寸都是使用二维超声成像设备从横向和纵向视图得出的最大直径。膀胱体积估计方法主要推荐为椭球体，因为它的结果相对准确且易于应用[2，28]。在假设为膀胱的形状中，椭球体可以通过单个二次曲面方程推导出来。由于最大高度不准确，椭圆体圆柱体被排除在外。二次曲面是三个坐标（x、y、z）和九个参数的一般方程。这九个参数可以表示由一般方程的系数组成的不变量，这些系数在平行变换或旋转中不会改变[29]。不变量可以假定为由椭球体表示的约束。参数能够正常的使用最小二乘优化快速将椭球体拟合到数据。优化可以生成其他形状，例如双曲面或抛物面。为了防止这种情况，我们使用了Li和Griffiths提出的两个称为不变量的线]。

　　要获得方程的参数，需要比参数数量更多的数据。原点设置为换能器阵列的中心。朝向膀胱的正交方向设置为z轴。该装配系统提供多达 50 个点的膀胱壁坐标。在膀胱一侧，膀胱壁的区别尚不清楚，并且数据包含噪音。与膀胱中心相交的x轴和y轴数据拟合到椭圆上，以最大程度地减少噪声对膀胱侧面的影响。测量数据中的点根据峰大小进行加权。加权点的数量类似于椭圆中与膀胱中心相交的点数。膀胱体积是根据拟合的椭球体的直径估计的。

　　可穿戴膀胱扫描仪样机的可行性测试是在水箱（图5).猪膀胱是通过屠宰场获得的，没有对任何动物造成额外的伤害。在制备过程中，去除膀胱内的气泡并将膀胱连接到硅管。以450 mL的增量向猪膀胱注入50 mL水，以假设气囊的填充过程。膀胱前壁垂直于装置轴放置100mm。脉冲发生器-接收器系统（5072PR，奥林巴斯公司，日本东京）以−145 V尖峰脉冲向传感器发送信号，并通过40 dB增益和1 MHz高通滤波器进行调理，以滤除超声回波。交换机（CPC7601，IXYS Corporation，CA，USA）用于控制多个通道并选择发射和接收通道。开关的工作电压分别为140 V和−60 V，开关的电位差为200 V。数字 I/ O 设备 （NI USB-6501， NI Instruments Corp.， Austin， TX， USA） 用于 施加 逻辑 电压 进行 通道 切换。接收到的声学信号是使用采样频率为 1014 GHz 的示波器（DSO2A，是德科技，美国加利福尼亚州圣罗莎）获得的。由写入程序控制的交换机获取一个通道的数据，然后更改为另一个通道以获取下一个数据。所有数据通道总共采集了60秒。使用25条扫描线对膀胱体积进行后端处理。

　　图6将荷航模型分析的结果与模拟结果进行比较。PZT-5A 的中心频率为 2.1 MHz，荷航型号的带宽约为 11%。集成PZT-5A和PCB的仿线%。应用匹配层时，KLM 模型中的灵敏度降低了 4.6 dB，带宽增加到 51.8%。在仿线传输克里姆霍兹、利多姆和马泰伊 （KLM） 模型和模拟的灵敏度。

　　进行了一系列测量以评估制造系统的性能。使用阻抗分析仪（4194A，安捷伦科技公司，费城，宾夕法尼亚州，美国）在空气中测量电输入阻抗。测量在0.1至5 MHz的频率范围内进行。图7a，b分别显示电阻抗的大小和相位。在2.2 MHz的谐振频率下，电阻抗（208 Ω）和相位（26°）显示了器件的机械振动。低频处的几个峰值是由于横向振动模式造成的。

　　c） 100 mm 时的传输灵敏度，（d） 水中 2.2 MHz 的压力场。测量发射灵敏度以评估具有匹配层的阵列单元的带宽。使用水听器（HNR0500，ONDA，美国加利福尼亚州桑尼维尔）在距离阵列元件100毫米的高度水下进行测量。脉冲发生器（33500B，是德科技，美国加利福尼亚州圣罗莎）用于生成交流 10 V 和 10 个周期突发的信号。频率范围为1-5 MHz，以50 kHz步长进行测量。水听器测量的数据使用数据表的接收灵敏度进行校准。接收到的数据的中心频率为2.2 MHz，−3 dB带宽为16%（图7c).测量声压场以评估声压级和声束传播的方向性角。测量使用电动控制平台（SM60-100-1S，科学城公司，韩国仁川）以 3 mm 为单位扫描 0820 mm × 4 mm 的范围。脉冲发生器以2.2 MHz的频率激励换能器。信号由水听器在水下接收，并根据接收灵敏度进行校准。图7d 显示从测量数据的最大值得出的压力场。表面声压为6 kPa/V，计算出的−3 dB方向性角度为9.56°。

　　实验使用猪膀胱估计体积，以验证系统的可行性。每当注入50毫升水时，使用商业膀胱扫描仪（BioCon-700，MCUBETCH，韩国首尔）测量膀胱体积。BioCon-700的工作频率为2.6 MHz。根据制造商的规格，当目标体积大于15 mL时（或小于100 mL的体积为±15 mL），体积估计的准确度±100%。在商用设备测量后，立即使用制造的设备获得了25个通道数据。商业设备提供了猪膀胱的B模式图像和体积估计值，如图8.使用商用设备进行的所有测量均在参考图像中，如图S1-S7中的子图（a）所示。

　　图9在300 mL注水猪膀胱中集中由制造的装置的单个元件接收的回波信号：（

　　基于dB标度数据的不同膀胱体积的图像显示了膀胱的形状（图10).制造的装置的视野没有覆盖整个膀胱，导致可以看到膀胱的一部分。膀胱部位显示膀胱前壁和后壁的位置和曲率随膀胱体积而变化。从每个元素的dB标度数据中提取膀胱壁的坐标。膀胱坐标用作膀胱壁信号的第一个峰值。排除膀胱前壁的第二个回波信号作为估计提取过程中体积的误差因子。使用提取的点优化二次曲面的参数以拟合椭圆体。中提供了两个示例图11.拟合椭球体的半径是使用特征向量计算的。所有优化的椭球体图像都在参考图像中，如图S1-S7中的子图（b）所示。

　　两种设备都显示出相对于进样体积（图12).制造装置的结果与商业设备的结果相似，但350 mL除外。与进样体积相比，商用设备的平均绝对误差为29 mL，制造装置的平均绝对误差为24 mL。

　　由于换能器和软组织声阻抗之间的高差异，我们通过附加匹配层来减少对传播的影响。与PCB集成的系统与声学分析中显示的压力一致。然而，与声学分析结果相比，通过声压评估观察到的带宽并不令人印象深刻。使用多个匹配层和/或支持层可以进一步增加带宽和分辨率。

　　我们提出了一种用少量元素估计膀胱体积的方法。假设膀胱体积是一个椭球体，作为具有二次曲面的公式导出。与商用膀胱扫描仪相比，所提出的体积法具有相似的精度。在离体测量中，商用膀胱扫描仪在体积为 200 mL 或更小时超出准确度规格。在体内测量的情况下，商用扫描仪的准确性可能会提高。商用膀胱扫描仪和拟议的体积系统的估计体积与注射体积呈线性关系。需要使用开发的前瞻性传感器进行临床试验，以确定具有不同体积的膀胱的体积精度。

　　所提方法在水中得到验证。对于临床应用，应考虑几个因素，例如衰减，声阻抗和散射。人体内部根据深度衰减来降低超声波信号的振幅。1.2MHz时的衰减因数约为2.2dB/cm[21]。调整时间增益补偿的参数可以平衡腹部组织的衰减。软组织的声阻抗与水的声阻抗不同;然而，与具有高声阻抗的压电元件相比，软组织的声阻抗与水的声阻抗相似。当超声通过非均匀介质（如内脏）传播时，就会发生散射[22]。因此，典型的组织成像具有斑点区域。在这项研究中，膀胱壁的位置被定义为膀胱壁信号的第一个峰值。由于体内测量中的斑点区域，区分膀胱壁信号可能很困难。由于膀胱中的尿液不会产生散射，因此能够准确的通过膀胱周围的斑点区域改进膀胱壁的检测方法。

　　本研究提出了一种用于连续容量监测的可穿戴膀胱扫描仪。膀胱扫描仪被实施为一个系统，该系统集成在薄基板上的5×5压电元件阵列。该系统具有2.2 MHz的中心频率和16%的带宽。利用二次曲面方程优化椭球体来估计膀胱体积。使用膀胱前壁和后壁信号的第一个峰作为位置信息提取优化中插入的数据。由于进样体积范围为50 mL至450 mL，所提出的系统和商用设备的平均误差分别为24 mL和29 mL。该实验证明了使用二维超声换能器阵列系统来进行膀胱监测相对于商业设备的可行性。

　　在未来的工作中，计划使用开发的前瞻性传感器进行临床试验，以确定膀胱的体积精度。此外，柔性基质的配置和当前体积估计方法的扩展对于每个人的不同腹部曲率至关重要。很明显，灵活的二维阵列系统将有利于电子排尿日记的发展，作为家庭医疗保健系统的一部分。

　　以下内容可在，图S1上在线获得：根据测量数据注入100 mL水（a）商业设备和（b）优化椭球体的猪膀胱图像。图 S2：根据测量数据注入 150 mL 水的猪膀胱图像 （a） 商业设备和 （b） 优化椭球体。图 S3：根据测量数据注入 200 mL 水的猪膀胱图像 （a） 商业设备和 （b） 优化椭球体。图 S4.猪膀胱注入 250 mL 水的图像 （a） 商业设备和 （b） 根据测量数据优化椭球体。图 S5：猪膀胱注入 350 mL 水的图像 （a） 商业设备和 （b） 测量数据中的优化椭球体。图 S6：猪膀胱注入 400 mL 水的图像 （a） 商业设备和 （b） 测量数据中的优化椭球体。图 S7：猪膀胱注入 400 mL 水的图像 （a） 商业设备和 （b） 根据测量数据优化椭球体。