可穿戴超聲波傳感貼片有望革新醫療保健應用，幫助更多患者實現在家中舒適地遠程監測重要生理參數。不過，目前大部分已開發的超聲波傳感貼片仍存在一個關鍵限制：它們需要利用電纜為可穿戴設備供電并傳輸超聲波數據，從而將佩戴者與控制系統進行物理連接。現在，這一局限迎來了解決方案。

據麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）雅各布斯工程學院納米工程教授徐升領導的研究團隊開發了一種完全無線的超聲波傳感貼片，可以連續跟蹤心率和血壓等重要生理信號。該貼片可以捕捉詳細的超聲波信息，并將數據無線傳輸到筆記本電腦或智能手機等智能設備，代表著家庭醫療技術向前邁進了重要一步。這項研究成果以“A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects”為題發表于Nature Biotechnology期刊。

美國國家生物醫學成像和生物工程研究所（NIBIB）應用科學與技術部項目主任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，因為之前報道的技術都無法擺脫線纜，限制了用戶的日常活動。這項研究代表了可穿戴超聲波傳感領域的重要突破，有望為健康狀況的超聲波遠程監測打開應用大門。”

超聲波傳感利用超聲波及其反射的回聲對體內組織進行成像，一直以來僅限于醫療機構的專業診斷應用。本研究中的超聲波傳感貼片由可穿戴超聲領域的早期開拓者和領導者徐升教授實驗室開發。徐升教授的研究團隊此前曾報道過具有類似換能器的可穿戴超聲貼片。這項最新研究的真正進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及其解構

“這項研究的關鍵是超聲波電路的設計。”徐升教授介紹說，“在我們之前報道的可穿戴貼片中，超聲波傳感探頭需要一根用于供電和數據傳輸的柔性電纜。在這款最新開發的貼片中，電纜被一種可穿戴電路取代，它可以預處理超聲波數據，并將其無線傳輸到后端系統以進行進一步分析。”

該超聲波傳感系統包括了探頭、電路以及電池。目前，該系統主要面向心血管健康監測而設計，因此在本研究中，超聲波探頭通常被放置在頸動脈上。其探頭連接了一個柔性電路，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，然后將數字化信號無線傳輸到終端設備。整個系統由市售可充電鋰聚合物電池供電。

“我們開發了一種機器學習算法，以配合電路自動處理超聲波信號并持續跟蹤監測頸動脈。因此，即使佩戴者在運動中，該貼片也能捕捉超聲波信息。”該研究論文第一作者、徐升教授實驗室博士生Muyang Lin解釋稱，“這種自動跟蹤算法為醫學超聲檢查和運動生理學應用提供了前所未有的機會。”

為了評估其普遍適用性，研究人員在代表三個不同種族的十名健康受試者中，交叉驗證了他們開發的機器學習模型。研究人員使用一種名為域適應（domain adaptation）的機器學習技術，發現根據一名受試者的貼片數據訓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練，該貼片就可以高精度地跟蹤頸動脈的搏動，從而測量血壓、動脈硬度和心輸出量等參數。在高危人群中持續監測這些測量數據，能夠為心力衰竭提供早期預警。

Muyang Lin說：“下一步是在更大的人群中驗證我們開發的超聲波傳感貼片。我們正在努力依據現有的醫療設備驗證這款傳感器。”

目前，研究人員主要評估了該設備的心血管功能監測能力，但研究人員證明，該貼片還可以應用于腹部膈肌監測，以及四肢外周動脈的監測。徐升教授說：“該系統有望佩戴在身體的多個部位進行測量，我們可以輕松地調整探頭設計，以滿足不同身體組織的監測要求。”

利用無線可穿戴超聲波傳感貼片監測并分析組織界面運動

“這種設備有望模糊家庭護理和醫院診斷之間的界限。”Muyang Lin說，“憑借此類無線可穿戴傳感設備，未來的醫療診斷和健康監測可以隨時隨地進行。”

審核編輯：劉清