Red fotónica de detección cutánea para cardiovascu

Jul 29, 2023

Compuscript Ltd.

Imagen: Figura 1. Parche de rejilla de Bragg de microfibra similar a la piel (μFBG).ver más

Crédito: OEA

Una nueva publicación de Opto-Electronic Advances, 10.29026/oea.2023.230018 analiza la monitorización hemodinámica espaciotemporal mediante un grupo de rejilla de Bragg de microfibra similar a la piel configurable.

Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en el mundo. Según la Organización Mundial de la Salud, 17,9 millones de personas mueren cada año a causa de enfermedades cardiovasculares. Para la alerta previa y el tratamiento preciso de las enfermedades cardiovasculares, es importante monitorear continuamente los parámetros hemodinámicos, incluida la presión arterial (PA), la frecuencia cardíaca (FC), la resistencia periférica (PR) y la elasticidad vascular. Los dispositivos portátiles blandos son muy adecuados para monitorear señales fisiológicas como señales de electrocardiograma (ECG), señales de fonocardiograma (PCG) y ondas de pulso con las ventajas de la capacidad de operación en tiempo real, propiedades mecánicas similares a las de la piel y capacidad de detección de alta SNR. Sin embargo, el sistema cardiovascular humano es complicado y está distribuido con circulación en red. Los parámetros hemodinámicos monolíticos logrados por los dispositivos portátiles actuales no pueden reflejar de manera adecuada y precisa el estado de salud de la vasculatura regional. Se necesita con urgencia una técnica de monitorización hemodinámica espaciotemporal para satisfacer la demanda cada vez mayor de tratamiento clínico y gestión de la salud diaria del sistema cardiovascular.

La técnica de detección de fibra óptica distribuida (DOF) representada por la rejilla de Bragg de fibra (FBG) es ideal para la monitorización hemodinámica espaciotemporal. Su capacidad de detección multicanal distribuida espacialmente, su excelente sincronización temporal y su falta de interferencia electromagnética sientan las bases para el monitoreo de múltiples señales fisiológicas de alta SNR. Sin embargo, la fibra óptica tradicional tiene una propiedad mecánica muy distinta con la piel y una baja respuesta a las señales fisiológicas considerando su material de sílice rígido y quebradizo y su diámetro grueso de 125 μm, lo que dificulta su uso en el cuerpo de manera estable y cómoda. Se ha utilizado tecnología de embalaje flexible para solucionar el desajuste mecánico. Sin embargo, la encapsulación excesivamente gruesa y la baja sensibilidad de los dispositivos FBG comerciales plantean un obstáculo en la detección de señales fisiológicas sutiles, limitando así sus posibles aplicaciones en dispositivos portátiles. Se ha demostrado que las microfibras ópticas tienen una excelente flexibilidad, configurabilidad y grandes campos evanescentes para una detección de alta sensibilidad. Sin embargo, los dispositivos existentes basados ​​en microfibra óptica son difíciles de lograr capacidades de detección multiparámetro, sincronizadas en el tiempo y distribuidas espacialmente sin una estrategia de codificación de longitud de onda.

Los autores de este artículo proponen una técnica de monitorización hemodinámica espaciotemporal basada en un grupo de rejillas de microfibras similares a la piel. La técnica emplea microfibra y tecnología de embalaje flexible ultrafino para preparar parches de microfibra similares a la piel. Al reducir eficazmente el módulo equivalente del dispositivo y el área de la sección transversal de la microfibra, la respuesta al estrés del parche mejora en 2 órdenes de magnitud (la sensibilidad es de 5,26 nm/N bajo un estrés dentro de 50 mN). También muestra una gran repetibilidad y estabilidad bajo 10.000 círculos de tensión. Además, la técnica emplea tecnología de escritura directa con láser de femtosegundo para inscribir de forma no invasiva rejillas de Bragg en el interior de la microfibra, proporcionando diferentes codificaciones de longitud de onda para múltiples parches de microfibra, lo que permite capacidades de detección multicanal sincrónica. Al conectar parches de rejilla de microfibra (μFBG) en serie, se pueden detectar simultáneamente múltiples señales fisiológicas en diferentes nodos del cuerpo humano y distinguirlas mediante diferentes longitudes de onda de trabajo. Dado que las señales fisiológicas basadas en luz se propagan a una velocidad cercana a la de la luz en el grupo μFBG, la sincronización temporal solo está limitada por el interrogador FBG. Al detectar la señal del balistocardiógrafo proximal (BCG) y la onda del pulso distal en cada arteria superficial del sistema cardiovascular humano, y luego calcular el tiempo de transmisión de la onda del pulso (PTT), se establece la tecnología de monitoreo de la hemodinámica espaciotemporal.

Al detectar señales mecánicas en los extremos proximal y distal del sistema cardiovascular en lugar de señales de actividad electrofisiológica, la técnica de monitorización puede presentar la dinámica real del sistema cardiovascular sistémico, como los latidos del corazón, las angiectasias y la propagación de las ondas del pulso. En este estudio se presentan tres modos de monitorización hemodinámica. En primer lugar, se recogieron ondas de pulso de diferentes arterias superficiales del cuerpo humano, como la arteria carótida, la arteria radial y la arteria pediátrica, y se analizaron los PTT utilizando la señal BCG. Los diferentes PTT surgen de las diferencias en la longitud, el diámetro y el módulo elástico de los vasos sanguíneos. Este modo podría permitir la evaluación de la salud de las ramas arteriales locales en el sistema cardiovascular. En segundo lugar, el grupo μFBG registró dinámicamente las señales fisiológicas de doble canal de los sujetos durante el proceso de ejercicio y descanso. La frecuencia cardíaca se calculó mediante el ciclo cardíaco y la velocidad de propagación de la onda del pulso cambió junto con la presión arterial. Además, el grupo μFBG registró dinámicamente las señales fisiológicas de doble canal cuando se impuso la presión externa, y los cambios de PTT podrían reflejar de manera sensible los diferentes grados de resistencia arterial periférica. Esta técnica de monitorización de la resistencia vascular periférica local en tiempo real se propuso por primera vez.

Este estudio desarrolla la tecnología de detección multicanal síncrona basada en el grupo μFBG similar a la piel, que tiene ventajas significativas como dinámica temporal, distribución espacial, fácil conexión en red y configurabilidad, alta sensibilidad y alta flexibilidad. La tecnología de monitoreo hemodinámico espaciotemporal propuesta tiene la capacidad de trabajo de evaluación dinámica y en tiempo real del estado de salud de los vasos sanguíneos locales en todo el sistema cardiovascular, lo que demuestra el gran potencial en el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares como arritmia, angioesclerosis, hipertensión y trombosis. facilitando el diagnóstico clínico preciso, el rápido cribado de lesiones y la gestión sanitaria diaria.

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El Dr. Fei Xu es actualmente profesor en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Nanjing, China. Es ganador del premio Fundación Nacional de Ciencias para Jóvenes Académicos Distinguidos (2019) de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China. También es miembro de SPIE y miembro senior de Optica/IEEE. Centra su investigación en tecnologías de detección inteligente óptica y eléctrica. Hasta la fecha, es autor o coautor de 9 capítulos de libros, > 20 reseñas invitadas, ha concedido >50 patentes (China y el extranjero), ha concedido 4 patentes PCT y de EE. UU. y > 160 artículos revisados ​​por pares en revistas académicas, incluidas Science Advances, Optica, Luz: ciencia y aplicaciones, fotónica avanzada, materiales avanzados, etc. en las áreas mencionadas anteriormente.

Página de inicio del profesor Fei Xu: https://eng.nju.edu.cn/xf/main.htm

Con la fibra óptica como portador, el laboratorio ha desarrollado de forma independiente dispositivos y sistemas integrados de fibra óptica con precisión ultra alta y excelente rendimiento después de más de diez años de acumular tecnologías de procesamiento de alta precisión, como tecnologías de procesamiento micro/nano y tecnologías de procesamiento láser de femtosegundo, y desarrolló aplicaciones de vanguardia en aeroespacial, diagnóstico médico, comunicación por fibra óptica, monitoreo de seguridad, análisis bioquímico y otros campos. Con el apoyo de importantes requisitos nacionales y proyectos clave, el laboratorio se centra en cuestiones científicas en la integración de fibra óptica de próxima generación, la interacción persona-computadora y la detección computacional, e innova en dispositivos optoelectrónicos avanzados, métodos de integración, así como algoritmos y arquitecturas de modelos novedosos mediante la fusión cruzada de óptica física, ciencia de materiales, electrónica, aprendizaje automático, micro/nanoóptica y visión por computadora.

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Opto-Electronic Advances (OEA) es una revista SCI mensual de alto impacto, acceso abierto y revisada por pares con un factor de impacto de 8,933 (Journal Citation Reports for IF2021). Desde su lanzamiento en marzo de 2018, la OEA ha estado indexada en las bases de datos SCI, EI, DOAJ, Scopus, CA e ICI a lo largo del tiempo y ha ampliado su consejo editorial a 36 miembros de 17 países y regiones (índice h promedio 49).

La revista es publicada por el Instituto de Óptica y Electrónica de la Academia de Ciencias de China y tiene como objetivo proporcionar una plataforma para que investigadores, académicos, profesionales, practicantes y estudiantes impartan y compartan conocimientos en forma de artículos de investigación empíricos y teóricos de alta calidad que cubren los temas de óptica, fotónica y optoelectrónica.

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Zhu HT, Luo JX, Dai Q, Zhu SG, Yang H et al. Monitorización hemodinámica espaciotemporal a través de un grupo de rejilla Bragg de microfibra similar a la piel configurable. Avanzado en optoelectrones6 , 230018 (2023). doi: 10.29026/oea.2023.230018

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Avances optoelectrónicos

10.29026/oea.2023.230018

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