一种可直接实时评估心脏功能的可穿戴超声成像传感器

据麦姆斯咨询报道，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的研究团队开发了一种可直接实时评估心脏功能的可穿戴超声成像传感器，并且，这款传感器改善了人体皮肤和器件之间的耦合，从而能够在运动中从不同的角度检查左心室。这项研究成果已经以“A wearable cardiac ultrasound imager”为题发表于Nature期刊。

本研究开发的可穿戴超声成像传感器仅约为一张邮票大小，可24小时佩戴，即使在剧烈运动中也能正常工作

研究背景

心脏功能的持续监测对于检测心脏功能不全，以及管理手术、危重患者的心血管疾病至关重要。然而，专业的医疗监测设备通常体积庞大，而可穿戴设备只能检测皮肤上的信号，因此，现有的非侵入性方法很难实时监测心血管健康状况。

研究概述

在这项研究中，研究人员设计了一种可穿戴超声成像器件，采用了液态金属复合电极、压电换能器阵列和三嵌段共聚物封装。传统超声探头需要旋转以获得提供心脏全面图像的两个正交方向，为了避免该旋转要求，这款可穿戴超声成像器件设计为能够提供不同视图的正交配置。

可穿戴超声成像传感器分解示意图

研究人员选择了3 MHz中心共振超声频率用于深层组织成像，同时考虑了空间分辨率和穿透深度。共晶镓-铟液态金属和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）被用于构建多层、高密度、可拉伸的电极，使器件紧凑具有柔性。此外，每个压电换能器元件都包含一个与银环氧树脂基背衬层耦合的各向异性1-3型压电复合材料。

这种柔性可穿戴超声成像传感器，能够在运动前后或运动中连续监测并记录心脏活动

用于评估成像质量的五个指标包括轴向、高程和横向特殊分辨率、轴向和横向定位精度、信噪比、对比度噪声比和动态范围。研究人员比较了单焦点、平面波和宽波束合成，以分析对成像质量至关重要的发射波束形成策略。此外，研究人员还考量了接收波束形成策略以进一步提高成像质量。

研究人员采用了宽波束合成方法以分析器件的特殊分辨率，并评估了器件的对比度噪声比和动态范围。并将该器件的性能与商用超声心动图设备进行了比较。此外，研究人员将这款可穿戴超声成像传感器贴附到受试者身上，受试者开始仰卧，然后在动感单车上多次锻炼直到达到最大心率，由此评估了该传感器在运动过程中的检测性能。并对每个测试阶段的左心室舒张末期内径和收缩末期内径（LVID和LVIDd）进行了评估。

此外，研究人员应用深度学习神经网络从实时的图像中获取了左心室容积数据。这些信息对于确定潜在风险因素和心脏泵送能力的变化至关重要。

研究结果

研究结果表明，这款可穿戴超声成像传感器显著改善了对心脏功能的准确监测。宽带宽、低介电损耗、增强的机电耦合以及近乎为零的串扰，确保了器件优异的机电性能。该器件的杨氏模量与人体皮肤的杨氏模量相当，并结合了更强的可拉伸性，从而能够保持与皮肤的紧密接触，这是现有超声器件较难实现的。

将这款可穿戴超声成像传感器与商用超声心动图设备进行比较，两者的检测结果差异可以忽略不计。研究人员还报告说，这款传感器可以使运动模式（M-mode）成像的机械活动与超声心动图相关联。

运动负荷超声心动图（应用超声心动图对比观察负荷状态与静息状态超声所见，以了解受检者心血管系统对负荷的反应状况）是现有超声检测手段表现不足的领域之一，因为数据只能在剧烈运动前后获得。在快速恢复的情况下，运动期间的病理反应可能会被遗漏。使用液相硅代替传统在超声过程中蒸发的水基凝胶，确保了成像质量稳定。受试者佩戴这款可穿戴超声装置24小时之后，未报告过敏或皮肤刺激，并且，装置温度保持稳定。来自多个受试者的相似结果，确保了这款装置性能的稳定性和可靠性。

运动中的心脏监测

此外，研究人员利用深度学习神经网络从连续图像中提取的左心室容积数据，显示了与商业超声成像设备相似的波形。

总体来说，这种可穿戴超声成像传感器有望成为危重心脏病患者实时监测心脏功能的重要工具。此外，小巧的尺寸、运动过程中的稳定性以及器件与人体皮肤之间更好的贴服性，使其成为负荷超声心动图期间检测心脏反应变化的重要潜在工具。

编辑：黄飞