可穿戴超聲波傳感貼片有望革新醫(yī)療保健應(yīng)用，幫助更多患者實(shí)現(xiàn)在家中舒適地遠(yuǎn)程監(jiān)測重要生理參數(shù)。不過，目前大部分已開發(fā)的超聲波傳感貼片仍存在一個(gè)關(guān)鍵限制：它們需要利用電纜為可穿戴設(shè)備供電并傳輸超聲波數(shù)據(jù)，從而將佩戴者與控制系統(tǒng)進(jìn)行物理連接。現(xiàn)在，這一局限迎來了解決方案。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授徐升領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種完全無線的超聲波傳感貼片，可以連續(xù)跟蹤心率和血壓等重要生理信號。該貼片可以捕捉詳細(xì)的超聲波信息，并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)焦P記本電腦或智能手機(jī)等智能設(shè)備，代表著家庭醫(yī)療技術(shù)向前邁進(jìn)了重要一步。這項(xiàng)研究成果以“A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects”為題發(fā)表于Nature Biotechnology期刊。

美國國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所（NIBIB）應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)部項(xiàng)目主任Randy King博士指出：“可穿戴超聲波傳感貼片的真正潛力至今仍未兌現(xiàn)，因?yàn)橹皥?bào)道的技術(shù)都無法擺脫線纜，限制了用戶的日?；顒?dòng)。這項(xiàng)研究代表了可穿戴超聲波傳感領(lǐng)域的重要突破，有望為健康狀況的超聲波遠(yuǎn)程監(jiān)測打開應(yīng)用大門。”

超聲波傳感利用超聲波及其反射的回聲對體內(nèi)組織進(jìn)行成像，一直以來僅限于醫(yī)療機(jī)構(gòu)的專業(yè)診斷應(yīng)用。本研究中的超聲波傳感貼片由可穿戴超聲領(lǐng)域的早期開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者徐升教授實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。徐升教授的研究團(tuán)隊(duì)此前曾報(bào)道過具有類似換能器的可穿戴超聲貼片。這項(xiàng)最新研究的真正進(jìn)展是可穿戴超聲波傳感貼片的無線化。

完全集成的貼片上超聲波傳感系統(tǒng)及其解構(gòu)

“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是超聲波電路的設(shè)計(jì)。”徐升教授介紹說，“在我們之前報(bào)道的可穿戴貼片中，超聲波傳感探頭需要一根用于供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜嵝噪娎|。在這款最新開發(fā)的貼片中，電纜被一種可穿戴電路取代，它可以預(yù)處理超聲波數(shù)據(jù)，并將其無線傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)以進(jìn)行進(jìn)一步分析。”

該超聲波傳感系統(tǒng)包括了探頭、電路以及電池。目前，該系統(tǒng)主要面向心血管健康監(jiān)測而設(shè)計(jì)，因此在本研究中，超聲波探頭通常被放置在頸動(dòng)脈上。其探頭連接了一個(gè)柔性電路，由該電路激活超聲換能器、收集超聲回波，以及放大、過濾這些回波，然后將數(shù)字化信號無線傳輸?shù)浇K端設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)由市售可充電鋰聚合物電池供電。

“我們開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以配合電路自動(dòng)處理超聲波信號并持續(xù)跟蹤監(jiān)測頸動(dòng)脈。因此，即使佩戴者在運(yùn)動(dòng)中，該貼片也能捕捉超聲波信息。”該研究論文第一作者、徐升教授實(shí)驗(yàn)室博士生Muyang Lin解釋稱，“這種自動(dòng)跟蹤算法為醫(yī)學(xué)超聲檢查和運(yùn)動(dòng)生理學(xué)應(yīng)用提供了前所未有的機(jī)會。”

為了評估其普遍適用性，研究人員在代表三個(gè)不同種族的十名健康受試者中，交叉驗(yàn)證了他們開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。研究人員使用一種名為域適應(yīng)（domain adaptation）的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)根據(jù)一名受試者的貼片數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型可以成功地用于其他參與受試者。通過最小的模型再訓(xùn)練，該貼片就可以高精度地跟蹤頸動(dòng)脈的搏動(dòng)，從而測量血壓、動(dòng)脈硬度和心輸出量等參數(shù)。在高危人群中持續(xù)監(jiān)測這些測量數(shù)據(jù)，能夠?yàn)樾牧λソ咛峁┰缙陬A(yù)警。

Muyang Lin說：“下一步是在更大的人群中驗(yàn)證我們開發(fā)的超聲波傳感貼片。我們正在努力依據(jù)現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備驗(yàn)證這款傳感器。”

目前，研究人員主要評估了該設(shè)備的心血管功能監(jiān)測能力，但研究人員證明，該貼片還可以應(yīng)用于腹部膈肌監(jiān)測，以及四肢外周動(dòng)脈的監(jiān)測。徐升教授說：“該系統(tǒng)有望佩戴在身體的多個(gè)部位進(jìn)行測量，我們可以輕松地調(diào)整探頭設(shè)計(jì)，以滿足不同身體組織的監(jiān)測要求?！?/p>

利用無線可穿戴超聲波傳感貼片監(jiān)測并分析組織界面運(yùn)動(dòng)

“這種設(shè)備有望模糊家庭護(hù)理和醫(yī)院診斷之間的界限?！盡uyang Lin說，“憑借此類無線可穿戴傳感設(shè)備，未來的醫(yī)療診斷和健康監(jiān)測可以隨時(shí)隨地進(jìn)行?！?/p>

審核編輯：劉清