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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（上期）
穿戴未来：探索可穿戴超声设备的革命性应用 | 顶刊一文盘点（上）
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（本期）
Estimation of joint torque in dynamic activities using wearable A-mode ultrasound
研究摘要：
人体在生活中不断地承受机械负荷。然而，量化肌肉骨骼系统内的内部负荷仍然具有挑战性，特别是在无约束的动态活动中。传统的测量方法仅限于实验室环境，现有的可穿戴方法在动态运动过程中缺乏肌肉特异性或验证。在这里，我们提出了一种使用可穿戴a模式超声波在各种动态活动中从具有不同结构的肌肉中估计相应关节扭矩的策略。在无约束的现实世界活动中评估关节扭矩的能力可以为肌肉功能和运动生物力学提供新的见解，在损伤预防和康复方面具有潜在的应用价值。
应用亮点：
无约束日常动态活动中测量关节扭矩
系统示意/原理：
图1 A模式超声系统概述。可穿戴传感器安装架的分解图。四个SET安装在一个3D打印的盒子上，并使用压缩织物带连接到身体上。
主要结果：
图2 肱二头肌等速收缩时的肘部扭矩估计
图3 哑铃弯曲时肘部扭矩估算
图4 股直肌等速收缩期间的膝关节扭矩估计
图5 跑步机和户外运动时的膝关节扭矩估计
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-50038-0
Wearable Real-Time Gesture Recognition Scheme Based on A-Mode Ultrasound
研究摘要：
A型超声在预测灵巧手势方面具有分辨率高、计算简单、成本低等优点。为了加速A模式超声手势识别技术的普及，我们设计了一个可以与用户实时交互的人机界面。结果表明，离线识别准确率为96.92%±1.92%。实时实验通过四个在线性能指标进行评估：动作选择时间、动作完成时间、动作成功率和实时识别准确率。结果表明，动作完成率为96.0%±3.6%，实时识别准确率为83.8%±6.9%。本研究验证了可穿戴A型超声技术的巨大潜力，并为手势识别提供了更广泛的应用范围。
应用亮点：
高准确率手势识别
系统示意/原理：
图1 基于可穿戴A型超声的实时手势识别方案框架
主要结果：
图2 采用不同特征方法对PCA后的前三个主成分进行散点图分析
图3 十个不同受试者的离线手势识别错误率
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https://doi.org/10.1109/TNSRE.2022.3205026
文章三：
研究摘要：
随着物联网技术的发展，可穿戴健康监测设备迅速发展。但现有的超声探头通常缺乏必要的柔性、小型化和舒适性。本研究提出了一种新型的可编织、可穿戴聚合物超声换能器，该换能器由匹配层、背衬层和压电层组成，具有93%的宽带宽，是压电陶瓷换能器的六倍，并且能够承受超过10,000次的弯曲和扭曲变形。该换能器能够成功监测血流速度和血管厚度，并且具有与商用探头相当的信噪比。其宽带特性使其能够通过频率调整监测不同组织。
应用亮点：
可编织聚合物超声换能器
系统示意/原理：
图1 PUT的设计原理图及工作原理图
主要结果：
图2 PUT的应用展示
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https://doi.org/10.1007/s40843-024-2945-7
研究摘要：
这篇文章介绍了一种新型的柔性可拉伸超声换能器（FSUT），专为适应人体皮肤大曲率表面而设计，同时保持优异的成像质量。该换能器采用了丝网印刷银纳米线（AgNWs）和复合弹性基底的创新结合，确保了稳定电气和机械连接。通过标准测试验证了其耐用性，FSUT具备大的拉伸应变（≥110%）、高灵活性（R ≥1.4 mm）和轻重量（≤1.58 g），满足了可穿戴设备的需求。在5.3MHz的中心频率和66.47%的-6dB带宽下，该FSUT在10mm至70mm深度范围内，轴向和横向分辨率分别达到约0.31mm和0.46mm，0.34mm和0.84mm。此外，FSUT在不同曲率下对基于明胶的乳腺囊肿模型进行了成像测试，并成功从佩戴FSUT的志愿者身上获取了甲状腺、肱动脉和颈动脉的超声图像。
应用亮点：
柔性可拉伸超声换能器设计，能适应人体皮肤大区率表面
系统示意/原理：
图1 柔性可拉伸超声换能器示意图
主要结果：
图2 (a) 丝网印刷的可拉伸银纳米线（AgNWs）电极。电阻变化的AgNWs (b) 信号电极（线宽0.3毫米）和 (c) 地电极（线宽1毫米）随着不同程度拉伸应变的变化，显示出电极的稳定性。(d) 64通道丝网印刷AgNWs电极在PET上的电路电阻。(e) 拉伸电极的刻线测试。(f) 展示FSUT机械性能的演示
图3 对志愿者的(a)颈动脉、(b)甲状腺和(c)肱动脉进行的生物医学成像
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https://doi.org/10.1109/TUFFC.2024.3352655
研究摘要：
这篇文章介绍了一种新型柔性多普勒超声波设备，用于持续监测深部动脉中的血流速度。该设备薄、轻、贴合皮肤，采用双束多普勒方法避免角度影响，确保测量准确性。实验表明，它在超声幻影和人体受试者上均能准确测量流速。这种可穿戴设备有望提高血管重建手术后患者的护理质量，并为慢性血管疾病提供预防性监测。
应用亮点：
1. 提高血管重建手术后患者的护理质量
2. 慢性血管疾病预防性监测
系统示意/原理：
图1 多普勒超声设备的原理和设计的示意图
主要结果：
图2 血流速度监测
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https://doi.org/10.1126/sciadv.abi9283
▼参考资料
1. Jin, Y., Alvarez, J.T., Suitor, E.L. et al. Estimation of joint torque in dynamic activities using wearable A-mode ultrasound. Nat Commun 15, 5756 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50038-0
2. Z. Lu, S. Cai, B. Chen, Z. Liu, L. Guo and L. Yao, “Wearable Real-Time Gesture Recognition Scheme Based on A-Mode Ultrasound,” in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 30, pp. 2623-2629, 2022, doi: 10.1109/TNSRE.2022.3205026.
3. Zou, J., Guo, X., Wu, J. et al. A weavable and wearable polymer ultrasonic transducer with a large bandwidth. Sci. China Mater. (2024). https://doi.org/10.1007/s40843-024-2945-7
4. J. Chen et al., “Skin-Conformable Flexible and Stretchable Ultrasound Transducer for Wearable Imaging,” in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 71, no. 7, pp. 811-820, July 2024, doi: 10.1109/TUFFC.2024.3352655.
5.Fengle Wang et al.,Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity.Sci. Adv.7,eabi9283(2021).DOI:10.1126/sciadv.abi9283
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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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