經(jīng)過幾十年在探頭制造、電路設(shè)計(jì)和算法優(yōu)化方面的發(fā)展，醫(yī)學(xué)超聲可以定性和定量地獲取人體廣泛的生理信息，包括解剖結(jié)構(gòu)、組織運(yùn)動(dòng)、力學(xué)特性和血液動(dòng)力學(xué)。與 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和磁共振成像等其他醫(yī)學(xué)成像方法相比，超聲檢查更安全、更便宜且用途更廣。然而，超聲檢查的可及性和準(zhǔn)確性面臨多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，常見的超聲探頭體積龐大，并且連接到大型控制系統(tǒng)，這限制了它們?cè)诩惺皆O(shè)施中的使用。其次，這些探頭需要手動(dòng)放置和操縱，并要求受試者保持不動(dòng)，從而引入操作員依賴性。第三，超聲數(shù)據(jù)的解讀需要受過專門培訓(xùn)的醫(yī)療專業(yè)人員，勞動(dòng)強(qiáng)度大且容易出錯(cuò)。床旁超聲系統(tǒng)的最新進(jìn)展大大減小了設(shè)備尺寸。然而，它們要么需要手動(dòng)操作，要么需要笨重的剛性電路，因?yàn)槌曈布ǔＰ枰吖β屎透邘挕Ｊ褂帽恐氐膭傂蕴筋^和電路很難覆蓋大面積并符合高度彎曲的身體表面。新興的可穿戴超聲探頭利用軟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以自然地貼合皮膚并以免提方式獲取深層組織信號(hào)。或者，將剛性超聲芯片與軟粘合劑材料集成可以在人體皮膚上實(shí)現(xiàn)可靠的界面。然而，這些可穿戴探頭都需要笨重的電纜來傳輸電源和數(shù)據(jù)，這極大地限制了受試者的活動(dòng)能力，使動(dòng)態(tài)測(cè)試或日常活動(dòng)中的監(jiān)視變得具有挑戰(zhàn)性。開發(fā)具有軟前端電路的全集成超聲波探頭尚未得到證實(shí)。此外，當(dāng)前的可穿戴超聲技術(shù)可能會(huì)在主體運(yùn)動(dòng)期間失去對(duì)目標(biāo)組織的跟蹤，因?yàn)槠つw表面上的設(shè)備會(huì)改變其相對(duì)于深層組織的位置。因此，它們需要頻繁的手動(dòng)重新定位，并且只允許進(jìn)行時(shí)間點(diǎn)檢查。此外，由于持續(xù)監(jiān)控所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，前端電路和后端處理單元將不堪重負(fù)。因此，可穿戴超聲技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑是實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全集成的無線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以跟蹤移動(dòng)目標(biāo)并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。于此，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校徐升等人報(bào)告了一個(gè)完全集成的自主超聲貼片系統(tǒng) (USoP)。USoP以柔軟、可穿戴的形式集成了超聲波探頭和微型無線控制電子設(shè)備，克服了上述限制。
值得注意的是，該課題組近日在Nature、Nature BME上連續(xù)報(bào)道了超聲貼片領(lǐng)域相關(guān)研究成果。USoP 硬件由超聲探頭和控制電子設(shè)備組成，這些電子設(shè)備以小型化軟格式制造。超聲波探頭由壓電換能器、背襯材料、蛇形互連和接觸墊制成，類似于我們報(bào)告的結(jié)構(gòu)。這種軟探頭設(shè)計(jì)降低了噪聲耦合，提高了分辨率，實(shí)現(xiàn)了無凝膠聲學(xué)耦合，并確保了探頭的耐用性。
研究人員設(shè)計(jì)中心頻率為 2 MHz 至 6 MHz 的探頭，以實(shí)現(xiàn)所需的帶寬、軸向分辨率和穿透深度。控制電子器件采用柔性印刷電路板，包括模擬前端和數(shù)據(jù)采集模塊。模擬前端實(shí)現(xiàn)超聲傳感，通過多個(gè)組件的協(xié)調(diào)控制超聲發(fā)射和接收。數(shù)字化的回波通過無線傳輸?shù)浇K端設(shè)備進(jìn)行信號(hào)處理和顯示。系統(tǒng)具有可彎曲、可拉伸和可扭轉(zhuǎn)的特性，可以與人體貼合使用。超聲探頭具有高帶寬，控制電子器件具有高采樣率和穩(wěn)定的無線傳輸能力。系統(tǒng)功耗低，可通過商業(yè)鋰聚合物電池連續(xù)工作12小時(shí)以上。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種超聲成像模式，包括幅度模式、亮度模式和運(yùn)動(dòng)模式。圖|使用USoP監(jiān)測(cè)和分析組織界面運(yùn)動(dòng)該完全集成的 USoP 解決了三個(gè)目前存在的問題，并使對(duì)深層組織信號(hào)的連續(xù)監(jiān)測(cè)成為可能。1）首先，USoP通過無線連接設(shè)備和后端處理系統(tǒng)來消除有線連接，從而允許大范圍的主體移動(dòng)。2）其次，USoP使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法來實(shí)時(shí)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和頻道選擇。據(jù)所知，之前報(bào)道的可穿戴設(shè)備都不能自主跟蹤移動(dòng)目標(biāo)。3）第三，支持深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)后處理減輕了人類負(fù)擔(dān)并實(shí)現(xiàn)了潛在的擴(kuò)展。這些創(chuàng)新共同開辟了許多新的可能性。例如，可以在患者進(jìn)行自然日常活動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這可以提供與臨床更相關(guān)的豐富信息。可以捕獲對(duì)高強(qiáng)度鍛煉等高風(fēng)險(xiǎn)活動(dòng)的反應(yīng)，以進(jìn)行更嚴(yán)格的診斷。連續(xù)數(shù)天或數(shù)周監(jiān)測(cè)心血管系統(tǒng)響應(yīng)壓力源的動(dòng)態(tài)變化可以使廣泛的人群受益，從需要訓(xùn)練優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)員到需要安全措施的心臟康復(fù)患者，再到一般的高危人群 心血管危險(xiǎn)分層和預(yù)測(cè)。此外，完全集成的自主 USoP 消除了傳統(tǒng)超聲檢查對(duì)操作員的依賴，標(biāo)準(zhǔn)化了數(shù)據(jù)解釋過程，因此擴(kuò)展了這種強(qiáng)大的診斷工具在住院和門診環(huán)境中的可及性。圖|運(yùn)動(dòng)過程中的持續(xù)監(jiān)測(cè)該技術(shù)的未來發(fā)展可以集中在以下幾個(gè)方面。1）首先，軟超聲探頭在符合動(dòng)態(tài)和曲線皮膚表面時(shí)面臨未知換能器位置的挑戰(zhàn)。使用沒有波束形成的單個(gè)換能器的 A 模式和 M 模式不受影響，但未知的換能器位置會(huì)導(dǎo)致 B 模式成像的相位像差和受損的波束形成。潛在的解決方案包括應(yīng)用額外的形狀傳感器來實(shí)時(shí)映射換能器位置，或開發(fā)迭代對(duì)比度優(yōu)化算法來補(bǔ)償變形陣列的相位失真。2）其次，應(yīng)進(jìn)一步提高USoP的長(zhǎng)期耐磨性。將高度集成的芯片與多層軟電路相結(jié)合可以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的機(jī)械合規(guī)性。結(jié)合可穿戴能量收集設(shè)備可以延長(zhǎng) USoP 的電池壽命。用更耐用和滲透性更強(qiáng)的粘合劑代替有機(jī)硅粘合劑有助于在皮膚變形和出汗的情況下增強(qiáng)皮膚融合。3）第三，USOP可以潛在地應(yīng)用于其他組織目標(biāo)，特別是在持續(xù)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要的高風(fēng)險(xiǎn)人群中。4）第四，機(jī)器學(xué)習(xí)處理所需的云計(jì)算資源限制了偏遠(yuǎn)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的可及性。基于功率性能平衡優(yōu)化的機(jī)載數(shù)據(jù)分析。Lin, M., Zhang, Z., Gao, X. et al. A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects. Nat Biotechnol (2023).https://doi.org/10.1038/s41587-023-01800-0
課題組簡(jiǎn)介
徐升（Sheng Xu），加州大學(xué)圣地亞哥分校副教授。博士畢業(yè)于美國(guó)佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)，曾在伊利諾伊大學(xué)香檳分校材料科學(xué)與工程系擔(dān)任博士后研究員。
研究工作集中在用于健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)界面的可穿戴柔性電子設(shè)備，曾獲材料研究學(xué)會(huì)（Materials Research Society，MRS）“杰出青年科學(xué)家獎(jiǎng)”、斯隆研究獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。
