首個自主可穿戴式超聲波貼片系統 可連續跟蹤164毫米深組織的生理信號

　　美國加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）的一個工程師團隊開發了第一個完全集成的可穿戴超聲系統，用于深部組織監測，包括用于正在行走的受試者。這個項目將可推動拯救生命的心血管監測技術的進步，并標志著世界領先的可穿戴超聲實驗室之一的重大突破。這篇論文名為“一個完全集成的可穿戴超聲系統來監測移動受試者的深部組織”（A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects），發表在2023年5月22日的《自然生物技術》（Nature Biotechnology）期刊上。

　　“這個項目為可穿戴超聲技術提供了一個完整的解決方案——不僅是可穿戴傳感器，還包括控制電子產品，都是以可穿戴形式制造的，”加州大學圣地亞哥分校納米工程系博士生、該研究的第一作者Muyang Lin說?！拔覀冎圃炝艘环N真正的可穿戴設備，可以無線感知深部組織的生命體征?！?/p>

　　這項研究來自加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院納米工程教授Xu Sheng的實驗室，他也是這項研究的通訊作者。

　　這種完全集成的自主可穿戴式超聲波貼片系統（USoP）建立在實驗室之前的軟超聲波傳感器設計工作的基礎上。然而，以往的軟超聲波傳感器都需要纜繩進行數據和電力傳輸，這在很大程度上限制了用戶的移動。在這項工作中，該系統包括一個小型的，靈活的控制電路，與超聲換能器陣列通信，以無線收集和傳輸數據。機器學習組件有助于解讀數據并跟蹤運動中的受試者。

　　根據實驗室的發現，這種超聲系統可以連續跟蹤164毫米深的組織的生理信號，連續測量中心血壓、心率、心輸出量和其他生理信號，每次長達12小時。

　　“這項技術在拯救和改善生命方面有很大的潛力，”Lin說，“這種傳感器可以評估運動中的心血管功能。靜止或運動時血壓和心排血量的異常值是心力衰竭的標志。對于健康人群，我們的設備可以實時測量心血管對運動的反應，從而了解每個人的實際鍛煉強度，從而指導制定個性化的訓練計劃?！?/p>

　　USoP也代表了醫療物聯網（IoMT）發展的突破，IoMT是一個術語，指的是連接到互聯網的醫療設備網絡，通過無線方式將生理信號傳輸到云端進行計算、分析和專業診斷。

　　由于過去幾十年的技術進步和臨床醫生的辛勤工作，超聲得到了持續不斷的關注，Xu實驗室經常作為該領域的早期和持久的領導者被提到，特別是在可穿戴超聲方面。

　　該實驗室采用了固定和便攜的設備，并使它們具有可拉伸和可穿戴性，推動了整個醫療監測領域的變革。它的優勢在于它與臨床醫生的密切合作。Lin說：“雖然我們是工程師，但我們確實知道臨床醫生面臨的醫療問題。我們與臨床合作者關系密切，總是從他們那里得到有價值的反饋。這種新的可穿戴超聲技術是解決臨床實踐中許多生命體征監測挑戰的獨特解決方案?！?/p>

　　在開發其最新的創新產品時，該團隊驚訝地發現它的功能比最初預期的要多。

　　“在這個項目的一開始，我們的目標是建立一個無線血壓傳感器?！毖芯咳藛T表示，“后來，當我們制作電路，設計算法并收集臨床建議時，我們認為該系統可以測量比血壓更多的關鍵生理參數，如心排血量，動脈硬度，呼氣量等，所有這些都是日常醫療保健或醫院監測的基本參數?！?/p>

　　此外，當受試者運動時，可穿戴式超聲波傳感器與組織目標之間會發生相對運動，這就需要手動頻繁地調整可穿戴式超聲波傳感器，以保持對運動目標的跟蹤。在這項工作中，該團隊開發了一種機器學習算法，可以自動分析接收到的信號，并選擇最合適的頻道來跟蹤移動目標。

　　然而，當算法使用一個對象的數據進行訓練時，該學習可能無法轉移到其他對象，導致結果不一致和不可靠。

　　“我們最終通過應用一種先進的適應算法，使機器學習模型泛化工作?！眻F隊人員表示，“該算法可以自動最小化不同主體之間的域分布差異，這意味著機器智能可以從一個主體轉移到另一個主體。我們可以在一個主體上訓練算法，并將其應用于許多其他新主體，只需最少的再訓練?！?/p>

　　未來，這種傳感器將在更大的人群中進行測試。

　　“到目前為止，我們只在少數但多樣化的人群中驗證了該設備的性能，我們設想這種設備將成為下一代深層組織監測設備，我們下一步將是進行臨床試驗?！?/p>

　　編輯：黃飛