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前言
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随着材料科学、电子技术及计算机技术的飞速发展，医用超声成像设备逐渐走向小型化、智能化；在近期取得了一系列在系统以及方法上令人瞩目的科研突破和创新成果。相信大家都和我们一样好奇，目前可穿戴超声究竟发展到什么程度？可以应用在哪些临床问题或日常生活中？
本期医工学人为大家带来总结文章，截至2024年7月，可穿戴超声领域一些重要的科研成果和主要的应用场景，受篇幅限制，分为上下两期。
第一期关键词：血压监测、多器官成像、心血管疾病监测、重症监护、疾病早期筛查、完全无线可穿戴超声系统（本期）
第二期关键期：手势识别、关节扭矩估计、运动康复、丝网印刷银纳米线（下期）
研究摘要：
持续监测颈动脉和颈静脉等深埋血管的中心血压波形对预测全因心血管死亡率具有临床价值。然而，现有的非侵入性方法，包括光电容积描记术和压力测量法，只能进入浅表外周血管系统。尽管目前的超声技术允许非侵入性的深层组织观察，但由于传统超声探头的体积和刚度导致与组织表面的不稳定耦合，从而导致可用性受限。在这里，我们描述了一种与皮肤共形的超声波设备的设计和操作，该设备能够捕获深埋动脉和静脉部位的血压波形。该可穿戴设备超薄（240μm）且可拉伸（应变高达60%），能够从多个身体部位无创、连续和准确地监测心血管事件，这将有助于其在各种临床环境中的使用。
应用亮点：
长时无创测量绝对血压
系统示意/原理：
图1 伸缩式超声装置的设计和工作原理
主要结果：
图2 共形超声传感器和商用压力计在运动血流动力学监测和中心动脉和静脉脉搏测量之间的比较
图3 从中央动脉到外周动脉的血压测量和使用商用压力计的验证
图4 基于心电图相关性的PWV计算，用于评估动脉僵硬度
（受篇幅限制，图表子标题请各位根据兴趣移步原文查看，或加入群聊私戳小助手获取文章合集）
https://doi.org/10.1038/s41551-018-0287-x
研究摘要：
本研究开发了一种生物粘附超声（BAUS）装置，该装置由一个薄而硬的超声探头组成，通过一种由柔软、坚韧、抗水合和生物粘附的水凝胶-弹性体混合物制成的耦合剂牢固地粘附在皮肤上。BAUS装置可对不同的内脏器官进行48小时的连续成像，包括血管、肌肉、心脏、胃肠道、膈肌和肺。BAUS设备可以为各种疾病提供诊断和监测工具。
应用亮点：
长时监测多器官生理功能
系统示意/原理：
图1 BAUS装置的设计和成像性能
主要结果：
图2 血管的长期连续BAUS成像
图3 肺、膈肌、心脏和胃的长期连续BAUS成像
演示视频：
1. 演示BAUS设备在皮肤上的牢固粘合
2. 颈部旋转时颈动脉和颈静脉的实时BAUS成像，角度可达±30度
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https://doi.org/10.1126/science.abo2542
文章三：
研究摘要：
本研究报道了一种可穿戴的超声设备，用于连续、实时和直接的心脏功能评估。该设备通过创新设计和材料制造改进了与人体皮肤的机械耦合，允许在运动中从不同视角检查左心室。研究者还开发了一种深度学习模型，能够自动从连续图像记录中提取左心室容积，生成关键心脏性能指标的波形，如每搏量、心输出量和射血分数。这项技术能够在各种环境中显著提高动态可穿戴心脏监测的准确性。
应用亮点：
长时心脏功能评估
系统示意/原理：
图1 可穿戴心脏成像仪的设计和特性
主要结果：
图2 几种标准视图中的超声心动图
图3 运动中的监测
演示视频：
1. 心脏长、短轴超声图像(正交阵列成像)
2. 心尖四腔室和心尖二腔室超声图像(正交阵列成像)
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https://doi.org/10.1038/s41586-022-05498-z
研究摘要：
相较于之前可穿戴贴片超声大多使用有线连接，本文报告了一种完全集成的贴片式自主可穿戴超声波系统（USoP）。设计了一种小型化的柔性控制电路，用于与超声换能器阵列接口，以进行信号预处理和无线数据通信。并设计了机器学习用于跟踪移动的组织目标并辅助数据解释。我们证明，USoP允许连续跟踪来自164毫米深组织的生理信号。在移动受试者身上，USoP可以连续监测生理信号，包括中心血压、心率和心输出量，长达12小时。这一结果使得能够对医疗物联网的深层组织信号进行连续的自主监测。
应用亮点：
完全集成无线可穿戴超声系统
系统示意/原理：
图1 集成的USoP系统实物及原理图
主要结果：
图2 使用USoP监测和分析组织界面运动
图3 运动过程中的连续监测
演示视频：
1. 头部摆动下的自主颈动脉跟踪
2. 骑车时记录的连续血压波形。在参与者的头上安装了一个视点摄像机，用于记录骑车时的运动（左）。USoP 连续记录颈动脉脉搏波形。智能手机应用程序可以托管数据并显示组织运动图像、脉搏波形、心率和血压值（右）。组织运动图像显示了动脉壁的位置。连续脉搏波形显示颈动脉的实时脉动。相应的心率 (HR)、收缩压 (SBP) 和舒张压 (DBP) 同时显示。
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https://doi.org/10.1038/s41587-023-01800-0
研究摘要：
急性肝衰竭（Acute Liver Failure, ALF）是一种严重的医疗状况，其特征是肝功能迅速恶化。传统的超声弹性成像技术无法持续监测疾病过程中的肝脏硬度变化，因为它们需要手持探头。这篇文章介绍了一种新型的可穿戴生物粘附超声剪切波弹性成像技术（BAUS-E），能够连续监测急性肝衰竭（ALF）大鼠模型的肝脏硬度变化。这项技术通过声辐射力脉冲（ARFI）产生剪切波，使用一种特殊的生物粘附水凝胶耦合剂实现48小时的连续监测。研究显示，BAUS-E在监测肝脏硬度变化方面具有高准确性，有望在临床应用中为ALF的早期诊断和治疗提供帮助。
应用亮点：
1. 器官移植监测
2. 重症监护
系统示意/原理：
图1 可穿戴BAUS-E的设计和机制
主要结果：
图2 使用BAUS-E对患有急性肝衰竭（ALF）的大鼠进行48小时连续的弹性变化监测
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https://doi.org/10.1126/sciadv.adk8426
下期关于可穿戴超声的应用分享：手势识别、关节扭矩估计、运动康复、丝网印刷银纳米线，感兴趣的读者请继续关注！我们下期见！
▼参考资料
1. Wang, C., Li, X., Hu, H. et al. Monitoring of the central blood pressure waveform via a conformal ultrasonic device. Nat Biomed Eng 2, 687–695 (2018). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0287-x
2. Chonghe Wang et al.,Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs. Science377,517-523(2022). DOI:10.1126/science.abo2542
3. 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
4. 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
5.Hsiao-Chuan Liu et al.,Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography.Sci. Adv.10,eadk8426(2024).DOI:10.1126/sciadv.adk8426
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*以上文字、图片、视频内容经由医工学人团队成员精心整理发布，转载请联系团队成员
END
编译 | 杨炳乾、李轶恒
来源 | 网络期刊
审核 | 医工学人
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