可穿戴超声贴检测实时心脏成像

心脏病是老年人死亡的主要原因，并且由于生活方式因素，在年轻人中也变得越来越普遍。心脏病的征兆是短暂且不可预测的，因此很难发现。这增加了对更先进、包容性、非侵入性和具有成本效益的监测技术的需求。 心脏成像是心脏出现问题之前进行筛查和诊断的最强大工具之一。

心脏会经历各种不同的病理，心脏成像将揭示背后的事实真相。无论是心腔强烈但正常的收缩导致容积波动，还是紧急出现心脏形态问题，心脏的实时影像监测都将事情的全貌、细节和视觉效果说得淋漓尽致。

总之，心脏成像是评估长期心脏健康、检测出现的问题和护理危重病人的重要临床工具。

然而，传统的非侵入式心脏成像方法设备体积大，不能完成长时间的连续测量任务，且心脏的成像往往需要专业的医生给出诊断结果，不能满足长时间的心脏监测需求。同时，现有的可穿戴心脏监测设备功能简单，多靠捕捉皮肤上的信号得出监测结果，无法深入到心脏本身。

可穿戴心脏超声贴片设备，可以评估人类心脏的结构和功能。这种便携式设备的大小与邮票差不多，最多可以佩戴 24 小时，即使在剧烈运动时也能正常工作。研究人员们在器件设计和材料制造方面引入创新，改善器件与人体皮肤之间的机械耦合，允许在运动过程中从不同角度检查左心室。同时开发了一种深度学习模型，可自动从连续图像记录中提取左心室容积，进而计算关键心脏性能指标的波形，如每搏输出量，心输出量和射血分数。

得益于定制的 AI 算法，该设备能够测量心脏泵出的血液量。这很重要，因为心脏泵血不足是大多数心血管疾病的根源。心脏功能问题通常只有在身体运动时才会出现。

超声贴长啥样？

该器件具有压电换能器阵列，液体金属复合电极和三嵌段共聚物封装。装置以苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯（SEBS）为基础。

研究人员制作了基于共晶镓-铟液态金属和SEBS复合材料的高密度多层可拉伸电极。该复合材料具有高导电性，由复合材料制成的电磁屏蔽可以减轻环境电磁波的干扰，从而降低超声射频信号中的噪声并提高图像质量。

图1：该设备的器件爆炸图及贴附位置

该装置具有优异的机电性能，这取决于其高机电耦合系数，低介电损耗，宽带宽和可忽略的串扰。整个装置的杨氏模量低至921 kPa，与人体皮肤模量相当。该装置具有高达约110%的高拉伸性并且可以承受各种变形。

图2：可承受各种变形

它怎么工作？

超声的发射波束形成策略对图像质量至关重要。作者比较了平面波，单焦点和宽光束复合三种不同的发射波束方法。

在这三种方法中，宽波束复合实现了具有一系列传输角度的发散声波，并且每个传输的生成图像被相干组合以创建复合图像，其具有最佳质量并具有扩展的超声窗口。

同时研究人员还使用了接收波束形成进一步提高图像质量的方法。宽光束复合实现了合成聚焦效果，在整个声波区域具有高声强度，从而获得了最佳的信噪比和空间分辨率。

图3：不同发射波光束在同一深度下形成的图像（从左到右为平面波，单焦点，宽光束复合）

心脏的性能由三个因素表征：每搏输出量（心脏每次搏动泵出的血液量）、射血分数（每次搏动从心脏左心室泵出的血液百分比）和心输出量（心脏每分钟泵出的血量）。

研究人员开发了一种算法来促进连续的、AI 辅助的自动处理。应用深度神经网络从连续的图像流中提取关键信息。

深度学习模型自动从连续图像记录中分割出左心室的形状，逐帧提取其体积并产生波形来测量每搏输出量、心输出量和射血分数。

具体来说，AI 组件涉及图像分割的深度学习模型、心脏体积计算算法和数据插补算法，使用这种机器学习模型根据左心室分割的形状和面积来计算心脏体积。

成像分割深度学习模型使设备能够在不同身体状态下提供准确和连续的关键心脏指标波形，包括静态和运动后，这是以前从未实现过的。

因此，随着AI组件处理连续的图像流以生成数字和曲线，该技术可以连续且无创地生成这三个指标的曲线。

图4：通过深度学习进行自动图像处理的工作流程图

运动期间的心脏成像

使用传统的繁琐设备无法做到在运动过程中对心脏实时监测，本文中的可穿戴式超声波贴片非常适合克服这一挑战。

该装置可以连接到胸部，对受试者运动限制较小，从而提供心脏活动的的连续记录。研究人员对比了受试者在休息，锻炼，恢复三个阶段的超声信号表现。

图5：三种状态下的受试者及对应的超声信号表现

展望

这项技术的意义远远超出了对心脏的成像范围，因为它可以推广到对其他深部组织进行成像，例如下腔静脉，腹主动脉，脊柱和肝脏。也许在未来，一个邮票大小的贴片会成为我们每个人生活中必备的家庭医生。

审核编辑：刘清