可穿戴超声波传感贴片有望革新医疗保健应用，帮助更多患者实现在家中舒适地远程监测重要生理参数。不过，目前大部分已开发的超声波传感贴片仍存在一个关键限制：它们需要利用电缆为可穿戴设备供电并传输超声波数据，从而将佩戴者与控制系统进行物理连接。现在，这一局限迎来了解决方案。
据麦姆斯咨询介绍，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）雅各布斯工程学院纳米工程教授徐升领导的研究团队开发了一种完全无线的超声波传感贴片，可以连续跟踪心率和血压等重要生理信号。该贴片可以捕捉详细的超声波信息，并将数据无线传输到笔记本电脑或智能手机等智能设备，代表着家庭医疗技术向前迈进了重要一步。这项研究成果以“A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects”为题发表于Nature Biotechnology期刊。
本研究开发的无线超声波传感贴片，其探头被放置在颈动脉上。
美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB）应用科学与技术部项目主任Randy King博士指出：“可穿戴超声波传感贴片的真正潜力至今仍未兑现，因为之前报道的技术都无法摆脱线缆，限制了用户的日常活动。这项研究代表了可穿戴超声波传感领域的重要突破，有望为健康状况的超声波远程监测打开应用大门。”
超声波传感利用超声波及其反射的回声对体内组织进行成像，一直以来仅限于医疗机构的专业诊断应用。本研究中的超声波传感贴片由可穿戴超声领域的早期开拓者和领导者徐升教授实验室开发。徐升教授的研究团队此前曾报道过具有类似换能器的可穿戴超声贴片。这项最新研究的真正进展是可穿戴超声波传感贴片的无线化。
完全集成的贴片上超声波传感系统及其解构
“这项研究的关键是超声波电路的设计。”徐升教授介绍说，“在我们之前报道的可穿戴贴片中，超声波传感探头需要一根用于供电和数据传输的柔性电缆。在这款最新开发的贴片中，电缆被一种可穿戴电路取代，它可以预处理超声波数据，并将其无线传输到后端系统以进行进一步分析。”
该超声波传感系统包括了探头、电路以及电池。目前，该系统主要面向心血管健康监测而设计，因此在本研究中，超声波探头通常被放置在颈动脉上。其探头连接了一个柔性电路，由该电路激活超声换能器、收集超声回波，以及放大、过滤这些回波，然后将数字化信号无线传输到终端设备。整个系统由市售可充电锂聚合物电池供电。
“我们开发了一种机器学习算法，以配合电路自动处理超声波信号并持续跟踪监测颈动脉。因此，即使佩戴者在运动中，该贴片也能捕捉超声波信息。”该研究论文第一作者、徐升教授实验室博士生Muyang Lin解释称，“这种自动跟踪算法为医学超声检查和运动生理学应用提供了前所未有的机会。”
超声波传感探头和电路内部视图
为了评估其普遍适用性，研究人员在代表三个不同种族的十名健康受试者中，交叉验证了他们开发的机器学习模型。研究人员使用一种名为域适应（domain adaptation）的机器学习技术，发现根据一名受试者的贴片数据训练的模型可以成功地用于其他参与受试者。通过最小的模型再训练，该贴片就可以高精度地跟踪颈动脉的搏动，从而测量血压、动脉硬度和心输出量等参数。在高危人群中持续监测这些测量数据，能够为心力衰竭提供早期预警。
Muyang Lin说：“下一步是在更大的人群中验证我们开发的超声波传感贴片。我们正在努力依据现有的医疗设备验证这款传感器。”
目前，研究人员主要评估了该设备的心血管功能监测能力，但研究人员证明，该贴片还可以应用于腹部膈肌监测，以及四肢外周动脉的监测。徐升教授说：“该系统有望佩戴在身体的多个部位进行测量，我们可以轻松地调整探头设计，以满足不同身体组织的监测要求。”
利用无线可穿戴超声波传感贴片监测并分析组织界面运动
“这种设备有望模糊家庭护理和医院诊断之间的界限。”Muyang Lin说，“凭借此类无线可穿戴传感设备，未来的医疗诊断和健康监测可以随时随地进行。”
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41587-023-01800-0
延伸阅读：
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
