柔性可穿戴超声传感器阵列用于膀胱体积监测的研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究成果由Cong Pu（上海科技大学）、Ben Fu（上海科技大学）、Lehang Guo（同济大学附属第十人民医院）、Huixiong Xu（复旦大学附属中山医院）及Chang Peng（上海科技大学，IEEE会员）共同完成，发表于2024年5月的IEEE Sensors Journal（第24卷第10期）。研究得到国家自然科学基金（82151318）支持。

二、学术背景与研究目标
排尿功能障碍（voiding dysfunction）患者需持续监测膀胱体积以评估残余尿量（postvoid residual urine volume）和排尿效率（voiding efficiency）。传统方法中，导尿术（urethral catheterization）是金标准，但有创且易引发感染；非侵入性方法如近红外光谱（near-infrared spectroscopy）和生物电阻抗（bioelectrical measurements）精度不足。商用超声设备（如Sens-U）受限于刚性设计，无法贴合皮肤，影响佩戴舒适性。
本研究旨在开发一种柔性可拉伸超声传感器阵列（stretchable and wearable ultrasonic transducer array），解决现有技术刚性、笨重的问题，并实现高精度膀胱体积监测。

三、研究方法与流程

1. 传感器设计与制造
- 核心组件：阵列由4×4 PZT-5H压电换能器元件（中心频率3.9 MHz）、蛇形铜/聚酰亚胺电极（Cu/PI serpentine-based electrodes）、导电胶（E-Solder 3022，兼具匹配层和背衬层功能）及硅胶弹性体（EcoFlex）封装组成。
- 创新设计：采用蛇形电极实现40%弹性拉伸（超过皮肤拉伸极限20%），通过激光刻蚀（LPKF Protolaser S4）和旋涂工艺确保电极的机械稳定性。
- 性能参数：传感器阵列尺寸3.5×3.8×0.11 cm，重量仅2.46 g，-6 dB带宽57.6%，电容201±34 pF。

2. 基础性能测试
- 电气与声学特性：阻抗分析仪（Keysight E4990A）测得谐振频率4.45 MHz，脉冲回波实验（钢靶反射）显示回波信号信噪比高，无需耦合剂即可工作（贴合表面信号强度无显著差异）。
- 均匀性验证：16个元件中心频率偏差±0.1 MHz，带宽差异±5.7%，证明制造工艺一致性。

3. 膀胱模型实验
- 仿体构建：使用10%-重量比明胶（gelatin）包裹水囊（balloon-bladder phantom），模拟10–405 mL膀胱体积范围，每组重复测试5次。
- 信号处理：通过A型超声获取前后壁位置信息，结合希尔伯特变换（Hilbert transform）和时间增益补偿（time gain compensation）优化信号。
- 体积算法：基于最小二乘椭球拟合（least square ellipsoid fitting），利用32个坐标点（16个换能器×2壁）重建膀胱三维形状，体积计算通过三重积分完成。

四、主要研究结果
1. 传感器性能：拉伸实验表明阵列可承受40%应变，但释放后电极出现轻微形变（图6f）。
2. 体积监测精度：在10–405 mL范围内，平均绝对百分比误差（MAPE）为9.4%，平均绝对误差（MAE）11.9 mL，决定系数（R²）0.975（图12a）。小体积（10–25 mL）误差较高（>10%），主要因算法对小曲率表面敏感度不足。
3. 临床适用性：与传统超声设备（如Sens-U）相比，本研究设备轻量化且可贴合非平面皮肤，无需操作者干预，适合连续监测。

五、结论与价值
科学意义：首次将可拉伸电极与压电换能器结合，解决了穿戴式超声设备的柔性问题。
应用价值：为排尿功能障碍患者提供无创、实时膀胱监测方案，尤其适用于家庭场景。
未来方向：需通过临床验证实际膀胱形态的影响，并扩展阵列尺寸以覆盖更大体积范围。

六、研究亮点
1. 技术创新：蛇形电极设计与导电胶多层集成工艺，平衡了延展性与声学性能。
2. 算法优化：椭球拟合算法减少换能器数量（仅需16个），降低计算复杂度。
3. 跨学科贡献：融合材料科学（EcoFlex基底）、超声工程（PZT-5H）及信号处理（希尔伯特变换）。

七、其他发现
- 无需耦合剂：得益于硅胶与皮肤的紧密贴合，信号衰减可忽略（图10a）。
- 局限性：大体积仿体误差受限于固定换能器间距，未来需引入动态位置校准（如光学形状传感光纤）。

（字数：约1800字）