據麥姆斯咨詢報道，美國加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）的研究團隊開發了一種可直接實時評估心臟功能的可穿戴超聲成像傳感器，并且，這款傳感器改善了人體皮膚和器件之間的耦合，從而能夠在運動中從不同的角度檢查左心室。這項研究成果已經以“A wearable cardiac ultrasound imager”為題發表于Nature期刊。

本研究開發的可穿戴超聲成像傳感器僅約為一張郵票大小，可24小時佩戴，即使在劇烈運動中也能正常工作

研究背景

心臟功能的持續監測對于檢測心臟功能不全，以及管理手術、危重患者的心血管疾病至關重要。然而，專業的醫療監測設備通常體積龐大，而可穿戴設備只能檢測皮膚上的信號，因此，現有的非侵入性方法很難實時監測心血管健康狀況。

研究概述

在這項研究中，研究人員設計了一種可穿戴超聲成像器件，采用了液態金屬復合電極、壓電換能器陣列和三嵌段共聚物封裝。傳統超聲探頭需要旋轉以獲得提供心臟全面圖像的兩個正交方向，為了避免該旋轉要求，這款可穿戴超聲成像器件設計為能夠提供不同視圖的正交配置。

可穿戴超聲成像傳感器分解示意圖

研究人員選擇了3 MHz中心共振超聲頻率用于深層組織成像，同時考慮了空間分辨率和穿透深度。共晶鎵-銦液態金屬和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）被用于構建多層、高密度、可拉伸的電極，使器件緊湊具有柔性。此外，每個壓電換能器元件都包含一個與銀環氧樹脂基背襯層耦合的各向異性1-3型壓電復合材料。

這種柔性可穿戴超聲成像傳感器，能夠在運動前后或運動中連續監測并記錄心臟活動

用于評估成像質量的五個指標包括軸向、高程和橫向特殊分辨率、軸向和橫向定位精度、信噪比、對比度噪聲比和動態范圍。研究人員比較了單焦點、平面波和寬波束合成，以分析對成像質量至關重要的發射波束形成策略。此外，研究人員還考量了接收波束形成策略以進一步提高成像質量。

研究人員采用了寬波束合成方法以分析器件的特殊分辨率，并評估了器件的對比度噪聲比和動態范圍。并將該器件的性能與商用超聲心動圖設備進行了比較。此外，研究人員將這款可穿戴超聲成像傳感器貼附到受試者身上，受試者開始仰臥，然后在動感單車上多次鍛煉直到達到最大心率，由此評估了該傳感器在運動過程中的檢測性能。并對每個測試階段的左心室舒張末期內徑和收縮末期內徑（LVID和LVIDd）進行了評估。

此外，研究人員應用深度學習神經網絡從實時的圖像中獲取了左心室容積數據。這些信息對于確定潛在風險因素和心臟泵送能力的變化至關重要。

研究結果

研究結果表明，這款可穿戴超聲成像傳感器顯著改善了對心臟功能的準確監測。寬帶寬、低介電損耗、增強的機電耦合以及近乎為零的串擾，確保了器件優異的機電性能。該器件的楊氏模量與人體皮膚的楊氏模量相當，并結合了更強的可拉伸性，從而能夠保持與皮膚的緊密接觸，這是現有超聲器件較難實現的。

將這款可穿戴超聲成像傳感器與商用超聲心動圖設備進行比較，兩者的檢測結果差異可以忽略不計。研究人員還報告說，這款傳感器可以使運動模式（M-mode）成像的機械活動與超聲心動圖相關聯。

運動負荷超聲心動圖（應用超聲心動圖對比觀察負荷狀態與靜息狀態超聲所見，以了解受檢者心血管系統對負荷的反應狀況）是現有超聲檢測手段表現不足的領域之一，因為數據只能在劇烈運動前后獲得。在快速恢復的情況下，運動期間的病理反應可能會被遺漏。使用液相硅代替傳統在超聲過程中蒸發的水基凝膠，確保了成像質量穩定。受試者佩戴這款可穿戴超聲裝置24小時之后，未報告過敏或皮膚刺激，并且，裝置溫度保持穩定。來自多個受試者的相似結果，確保了這款裝置性能的穩定性和可靠性。

運動中的心臟監測

此外，研究人員利用深度學習神經網絡從連續圖像中提取的左心室容積數據，顯示了與商業超聲成像設備相似的波形。

總體來說，這種可穿戴超聲成像傳感器有望成為危重心臟病患者實時監測心臟功能的重要工具。此外，小巧的尺寸、運動過程中的穩定性以及器件與人體皮膚之間更好的貼服性，使其成為負荷超聲心動圖期間檢測心臟反應變化的重要潛在工具。

編輯：黃飛

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