徐升重磅Nature：可穿戴+超声成像，给你的心脏全方位实时监测！

心脏功能的连续成像，对于长期心血管健康评估、急性心功能不全检测以及危重患者或外科患者的临床管理，非常有价值。

然而，传统的非侵入性心功能成像方法，由于设备体积大，无法提供连续的测量，现有的可穿戴心脏设备，只能捕获皮肤上的信号。

在此，来自美国加州大学圣地亚哥分校的徐升等研究者报道了一种可穿戴式超声设备，用于连续、实时和直接的心脏功能评估。相关论文以题为“A wearable cardiac ultrasound imager”于2023年01月25日发表在Nature上。

该装置的特点是压电换能器阵列、液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装，如分解示意图(图1a等)所示。该装置建立在苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)上。为了提供心脏的全面视图，标准的临床实践是通过旋转超声探头在两个正交方向上成像。为了消除手动旋转的需要，研究者设计了一个正交构型的设备(图1a，右)。

每个换能器元件由各向异性1-3压电复合材料和银环氧基衬底层组成。为了平衡穿透深度和空间分辨率，研究者选择了3 MHz的中心共振频率进行深层组织成像。阵列间距为0.4 mm(即0.78个超声波波长)，提高了横向分辨率，减少了光栅瓣。

图1. 可穿戴心脏成像仪的设计与表征

为了在这样一个紧凑的阵列中分别处理每个元素，研究者基于共晶镓铟液态金属和SEBS的复合材料制作了高密度多层可拉伸电极。该复合材料导电性好，易于定型(图1b,c)。

重叠剪切测量表明，换能器元件与SEBS衬底之间的界面结合强度约为250 kPa，换能器元件与复合电极之间的界面结合强度约为236 kPa(图1d)，两者都比典型的商用胶粘剂更强。所得电极厚度仅为8 μm左右。电磁屏蔽也是由复合材料制成，可以减轻环境电磁波的干扰，从而降低了超声射频信号中的噪声，提高了图像质量。

该器件具有较高的机电耦合系数、较低的介电损耗、较宽的带宽和可忽略的串扰，具有良好的机电性能。整个装置的杨氏模量低至921千帕，与人体皮肤模量相当。该器件具有高达约110%的高拉伸性(图1e)，并能承受各种变形(图1f)。

考虑到人体皮肤的典型应变在20%以内，这些机械性能允许可穿戴式成像仪与皮肤保持大面积的亲密接触，这对刚性超声设备来说是一个挑战。

在此，研究者报道了一种可穿戴式超声设备，用于连续、实时和直接的心脏功能评估。研究者介绍了设备设计和材料制造方面的创新，改善了设备与人体皮肤之间的机械耦合，允许在运动过程中从不同角度检查左心室。

研究者还开发了一个深度学习模型，从连续的图像记录中自动提取左心室容量，生成关键心脏性能指标的波形，如冲程容量、心排血量和射血分数。该技术能够在各种环境下，对心脏性能进行动态可穿戴监测，大大提高了准确性。

图2. B模式成像策略和特征

图3. 超声心动图的几种标准视图

图4. 运动过程中的监控

图5. 通过深度学习自动处理图像

综上所述，这项技术的意义远远超出了心脏成像，因为它可以推广到其他深层组织的成像，如下腔静脉、腹主动脉、脊柱和肝脏。例如，在超声引导的囊肿假体活检过程中，两个正交的成像切片同时呈现了整个活检过程，解放了操作员的一只手。这项技术独特的启用能力，放弃了操作员不断持有设备的需要。

其他未来的努力，可以通过进一步提高空间分辨率来实现。三维扫描仪只能提供静态人体胸部的曲率。为了适应动态胸部弯曲，需要开发先进的成像算法来补偿相位失真，从而提高空间分辨率。

此外，可穿戴式成像仪，通过柔性电缆连接到后端系统进行数据处理，未来的工作需要重点研究系统的小型化和集成化。此外，FCN-32神经网络目前只能应用于训练数据集中的科目。通过扩展训练数据集或使用少镜头学习或强化学习策略优化网络，它的泛化能力可能会得到提高，这将使模型适应更大的人口。

作者简介

徐升，本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，博士毕业于美国佐治亚理工学院材料科学与工程专业，其曾在伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系担任博士后研究员，现任加州大学圣地亚哥分校助理教授。

其课题组的研究工作主要集中在：用于健康监测和人机界面的可穿戴柔性电子设备。得益于其优异的研究成果，已获得诸多奖项，包括MIT技术评论35位35岁以下的创新者、3M非终身教授奖、三星全球研究推广奖、诺基亚贝尔实验室奖，生物通信催化奖、材料研究学会（Materials Research Society，MRS）2019年杰出青年科学家奖的荣誉（Outstanding Young Investigator Award）（自1991年成立以来，已获得该奖项的32位获奖者之一）。

文献信息

Hu, H., Huang, H., Li, M. et al. A wearable cardiac ultrasound imager. Nature 613, 667–675 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05498-z

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05498-z

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/14/12a4f595b8/

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