首個自主可穿戴式超聲波貼片系統(tǒng) 可連續(xù)跟蹤164毫米深組織的生理信號

　　美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的一個工程師團(tuán)隊開發(fā)了第一個完全集成的可穿戴超聲系統(tǒng)，用于深部組織監(jiān)測，包括用于正在行走的受試者。這個項目將可推動拯救生命的心血管監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，并標(biāo)志著世界領(lǐng)先的可穿戴超聲實驗室之一的重大突破。這篇論文名為“一個完全集成的可穿戴超聲系統(tǒng)來監(jiān)測移動受試者的深部組織”（A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects），發(fā)表在2023年5月22日的《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊上。

　　“這個項目為可穿戴超聲技術(shù)提供了一個完整的解決方案——不僅是可穿戴傳感器，還包括控制電子產(chǎn)品，都是以可穿戴形式制造的，”加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系博士生、該研究的第一作者M(jìn)uyang Lin說。“我們制造了一種真正的可穿戴設(shè)備，可以無線感知深部組織的生命體征。”

　　這項研究來自加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授Xu Sheng的實驗室，他也是這項研究的通訊作者。

　　這種完全集成的自主可穿戴式超聲波貼片系統(tǒng)（USoP）建立在實驗室之前的軟超聲波傳感器設(shè)計工作的基礎(chǔ)上。然而，以往的軟超聲波傳感器都需要纜繩進(jìn)行數(shù)據(jù)和電力傳輸，這在很大程度上限制了用戶的移動。在這項工作中，該系統(tǒng)包括一個小型的，靈活的控制電路，與超聲換能器陣列通信，以無線收集和傳輸數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)組件有助于解讀數(shù)據(jù)并跟蹤運動中的受試者。

　　根據(jù)實驗室的發(fā)現(xiàn)，這種超聲系統(tǒng)可以連續(xù)跟蹤164毫米深的組織的生理信號，連續(xù)測量中心血壓、心率、心輸出量和其他生理信號，每次長達(dá)12小時。

　　“這項技術(shù)在拯救和改善生命方面有很大的潛力，”Lin說，“這種傳感器可以評估運動中的心血管功能。靜止或運動時血壓和心排血量的異常值是心力衰竭的標(biāo)志。對于健康人群，我們的設(shè)備可以實時測量心血管對運動的反應(yīng)，從而了解每個人的實際鍛煉強(qiáng)度，從而指導(dǎo)制定個性化的訓(xùn)練計劃?！?/p>

　　USoP也代表了醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）發(fā)展的突破，IoMT是一個術(shù)語，指的是連接到互聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，通過無線方式將生理信號傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行計算、分析和專業(yè)診斷。

　　由于過去幾十年的技術(shù)進(jìn)步和臨床醫(yī)生的辛勤工作，超聲得到了持續(xù)不斷的關(guān)注，Xu實驗室經(jīng)常作為該領(lǐng)域的早期和持久的領(lǐng)導(dǎo)者被提到，特別是在可穿戴超聲方面。

　　該實驗室采用了固定和便攜的設(shè)備，并使它們具有可拉伸和可穿戴性，推動了整個醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的變革。它的優(yōu)勢在于它與臨床醫(yī)生的密切合作。Lin說：“雖然我們是工程師，但我們確實知道臨床醫(yī)生面臨的醫(yī)療問題。我們與臨床合作者關(guān)系密切，總是從他們那里得到有價值的反饋。這種新的可穿戴超聲技術(shù)是解決臨床實踐中許多生命體征監(jiān)測挑戰(zhàn)的獨特解決方案。”

　　在開發(fā)其最新的創(chuàng)新產(chǎn)品時，該團(tuán)隊驚訝地發(fā)現(xiàn)它的功能比最初預(yù)期的要多。

　　“在這個項目的一開始，我們的目標(biāo)是建立一個無線血壓傳感器?！毖芯咳藛T表示，“后來，當(dāng)我們制作電路，設(shè)計算法并收集臨床建議時，我們認(rèn)為該系統(tǒng)可以測量比血壓更多的關(guān)鍵生理參數(shù)，如心排血量，動脈硬度，呼氣量等，所有這些都是日常醫(yī)療保健或醫(yī)院監(jiān)測的基本參數(shù)?！?/p>

　　此外，當(dāng)受試者運動時，可穿戴式超聲波傳感器與組織目標(biāo)之間會發(fā)生相對運動，這就需要手動頻繁地調(diào)整可穿戴式超聲波傳感器，以保持對運動目標(biāo)的跟蹤。在這項工作中，該團(tuán)隊開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以自動分析接收到的信號，并選擇最合適的頻道來跟蹤移動目標(biāo)。

　　然而，當(dāng)算法使用一個對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時，該學(xué)習(xí)可能無法轉(zhuǎn)移到其他對象，導(dǎo)致結(jié)果不一致和不可靠。

　　“我們最終通過應(yīng)用一種先進(jìn)的適應(yīng)算法，使機(jī)器學(xué)習(xí)模型泛化工作?！眻F(tuán)隊人員表示，“該算法可以自動最小化不同主體之間的域分布差異，這意味著機(jī)器智能可以從一個主體轉(zhuǎn)移到另一個主體。我們可以在一個主體上訓(xùn)練算法，并將其應(yīng)用于許多其他新主體，只需最少的再訓(xùn)練?！?/p>

　　未來，這種傳感器將在更大的人群中進(jìn)行測試。

　　“到目前為止，我們只在少數(shù)但多樣化的人群中驗證了該設(shè)備的性能，我們設(shè)想這種設(shè)備將成為下一代深層組織監(jiān)測設(shè)備，我們下一步將是進(jìn)行臨床試驗。”

　　編輯：黃飛