首个自主可穿戴式超声波贴片系统 可连续跟踪164毫米深组织的生理信号

 

　　美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的一个工程师团队开发了第一个完全集成的可穿戴超声系统，用于深部组织监测，包括用于正在行走的受试者。这个项目将可推动拯救生命的心血管监测技术的进步，并标志着世界领先的可穿戴超声实验室之一的重大突破。这篇论文名为“一个完全集成的可穿戴超声系统来监测移动受试者的深部组织”（A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects），发表在2023年5月22日的《自然生物技术》（Nature Biotechnology）期刊上。

　　“这个项目为可穿戴超声技术提供了一个完整的解决方案——不仅是可穿戴传感器，还包括控制电子产品，都是以可穿戴形式制造的，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程系博士生、该研究的第一作者Muyang Lin说。“我们制造了一种真正的可穿戴设备，可以无线感知深部组织的生命体征。”

　　这项研究来自加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授Xu Sheng的实验室，他也是这项研究的通讯作者。

　　这种完全集成的自主可穿戴式超声波贴片系统（USoP）建立在实验室之前的软超声波传感器设计工作的基础上。然而，以往的软超声波传感器都需要缆绳进行数据和电力传输，这在很大程度上限制了用户的移动。在这项工作中，该系统包括一个小型的，灵活的控制电路，与超声换能器阵列通信，以无线收集和传输数据。机器学习组件有助于解读数据并跟踪运动中的受试者。

　　根据实验室的发现，这种超声系统可以连续跟踪164毫米深的组织的生理信号，连续测量中心血压、心率、心输出量和其他生理信号，每次长达12小时。

　　“这项技术在拯救和改善生命方面有很大的潜力，”Lin说，“这种传感器可以评估运动中的心血管功能。静止或运动时血压和心排血量的异常值是心力衰竭的标志。对于健康人群，我们的设备可以实时测量心血管对运动的反应，从而了解每个人的实际锻炼强度，从而指导制定个性化的训练计划。”

　　USoP也代表了医疗物联网（IoMT）发展的突破，IoMT是一个术语，指的是连接到互联网的医疗设备网络，通过无线方式将生理信号传输到云端进行计算、分析和专业诊断。

　　由于过去几十年的技术进步和临床医生的辛勤工作，超声得到了持续不断的关注，Xu实验室经常作为该领域的早期和持久的领导者被提到，特别是在可穿戴超声方面。

　　该实验室采用了固定和便携的设备，并使它们具有可拉伸和可穿戴性，推动了整个医疗监测领域的变革。它的优势在于它与临床医生的密切合作。Lin说：“虽然我们是工程师，但我们确实知道临床医生面临的医疗问题。我们与临床合作者关系密切，总是从他们那里得到有价值的反馈。这种新的可穿戴超声技术是解决临床实践中许多生命体征监测挑战的独特解决方案。”

　　在开发其最新的创新产品时，该团队惊讶地发现它的功能比最初预期的要多。

　　“在这个项目的一开始，我们的目标是建立一个无线血压传感器。”研究人员表示，“后来，当我们制作电路，设计算法并收集临床建议时，我们认为该系统可以测量比血压更多的关键生理参数，如心排血量，动脉硬度，呼气量等，所有这些都是日常医疗保健或医院监测的基本参数。”

　　此外，当受试者运动时，可穿戴式超声波传感器与组织目标之间会发生相对运动，这就需要手动频繁地调整可穿戴式超声波传感器，以保持对运动目标的跟踪。在这项工作中，该团队开发了一种机器学习算法，可以自动分析接收到的信号，并选择最合适的频道来跟踪移动目标。

　　然而，当算法使用一个对象的数据进行训练时，该学习可能无法转移到其他对象，导致结果不一致和不可靠。

　　“我们最终通过应用一种先进的适应算法，使机器学习模型泛化工作。”团队人员表示，“该算法可以自动最小化不同主体之间的域分布差异，这意味着机器智能可以从一个主体转移到另一个主体。我们可以在一个主体上训练算法，并将其应用于许多其他新主体，只需最少的再训练。”

　　未来，这种传感器将在更大的人群中进行测试。

　　“到目前为止，我们只在少数但多样化的人群中验证了该设备的性能，我们设想这种设备将成为下一代深层组织监测设备，我们下一步将是进行临床试验。”

　　编辑：黄飞