发明全集成可穿戴式超声系统贴片，破解运动生理学难题

可穿戴科技在疾病监控和诊断领域愈发普及，同时在健康管理和疾病预防上也越来越显其重要性。然而，大部分现有的可穿戴设备只能监测皮肤表层或浅层组织的信号。而新型的可穿戴超声技术则能够深入测量，为可穿戴设备的监测能力开启新的可能性。

然而目前的可穿戴超声技术在易用性、持续测量和准确度上仍有待改进。此类设备需要经常手动调整位置，并只能定期进行检查。为了解决这些问题，加州大学圣地亚哥分校的徐升团队研发出了一款全自动可穿戴超声系统贴片（Ultrasonic-System-on-Patch，USoP）。这种完全集成的无线传感系统可以自动追踪移动目标并进行数据采集和处理，实现了对移动目标深层组织的长期监控。这种无需手持的技术使得数据采集更方便，更具灵活性，极具医疗应用潜力。

该研究通过设计微型柔性控制电路与超声换能器阵列，进行生理信号采集和无线数据传输。徐升团队采用了机器学习技术追踪移动的组织目标并辅助数据分析。实验结果表明，USoP能够连续追踪深达164毫米的组织内的生理信号。在移动的被试者身上，USoP能够连续监测生理信号，包括中心血压、心率和心输出量等。这项发明使得连续自主监测人体深部组织信号成为可能，推动了医疗物联网的进步。

经过几十年的探头制造、电路设计以及算法优化的发展，医学超声技术可以从人体中定性和定量获取广泛的生理信息，包括解剖结构、组织运动、机械特性以及血液动力学。与其它医学成像方法相比，如X射线计算机断层扫描和磁共振成像，超声成像更安全，更经济，也更多功能。然而，超声成像的可接近性和准确性面临几个技术挑战。首先，常见的超声探头体积庞大，并且需要与大型控制系统相连，这限制了它们在集中设施中的使用。其次，这些探头需要手动放置和操作，且要求受检者保持静止，这引入了对专业医师的依赖性。第三，超声数据的解读需要经过专门训练的医疗专业人员，这既耗费人力又容易产生诊断偏差。

图1 全身范围深层组织信号持续性监测，包括动脉搏动，心肌收缩，隔膜位移等

近年来，随着电路技术的发展，超声系统朝着更便携的方向不断革新。然而, 刚性探头和电路的使用使得这类设备难以覆盖大面积并适应高度曲面的身体表面。新兴的可穿戴超声探头利用软结构设计可以自然地贴合皮肤，以无需手动操作的方式获取深层组织信号。然而，这些可穿戴探头都需要连接电源和数据传输电缆，这大大限制了受试者的活动，使得在动态测试或日常活动期间的监测变得困难。此外，目前的可穿戴超声技术在使用者移动过程中可能会失去对目标组织的追踪。此类可穿戴传感器普遍依赖频繁的手动重新定位，并且只允许在特定时间点进行检查。更进一步说，随着持续监控生成的大量数据，信号处理电路和后端分析单元将不堪重负。

图2 自主可穿戴式超声系统贴片设计

因此，可穿戴超声技术发展的关键里程碑是实现一个完全集成的无线系统，该系统能够追踪移动的目标并自动化数据采集和处理。USoP将超声探针和微型无线控制电子器件集成在一个柔软的可穿戴设备上, 克服了上述限制。这项技术使用多通道深部组织信号进行监测，该信号经过调适和预处理后，通过无线传输到后端接收器，由专门的机器学习算法进行分析。算法会根据皮下目标组织的移动情况对数据进行分类，并选择最佳传感通道，以实时产生来自目标组织的连续数据流。这种技术能够在人体运动过程中连续监测深部组织信号，无需额外人工操作，同时规范了数据解读过程，扩大了在住院和门诊条件下的应用前景。

USoP的硬件包括超声探针和控制电子器件。超声探针使用微型压电晶体将电信号转换为超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号。控制电子器件包括多通道前端电路、后端处理单元和无线通讯模块，采用柔性材料制造，从而实现了USoP的柔性化和微型化设计。当USoP被贴在人体表面时，超声探针会发出超声波并接收反射回来的信号。这些信号经过处理和预处理后，通过无线方式传输到后端接收器进行分析。在此过程中，机器学习算法和深度学习技术被用来自动化采集数据、选择信道和进行数据后处理。当在皮肤表面的USoP与皮下目标组织发生相对滑动时，算法会实时调整并选择最佳信道，从而保证连续的数据流。因此，该技术可以实现对深部组织信号的连续监测，并且可以在运动状态下进行监测。

总体来说，该研究带来的技术革新主要体现在一下三个方面：首先，USoP通过无线连接后端处理系统来消除线缆连接，这样可以允许使用者进行大范围活动。其次，使用基于机器学习的算法来自动进行数据采集和实时传感通道选择，USoP是首个具备，自主追踪移动目标的可穿戴设备。第三，自动化数据采集以及后处理减轻了医疗负担。这些创新一起开启了许多新的可能性。例如，可以在患者进行自然的日常活动时对他们进行监测，这可以提供更具临床相关性的丰富信息。可以捕捉到高风险活动，如剧烈运动期间的反应，以便进行更严谨的诊断。对心血管系统在应激因素作用下的动态变化进行数日或数周的连续监测，可以惠及广大的人群，从需要训练优化的运动员，到需要安全措施的心脏康复病人，以及一般高风险人群进行心血管风险分层和预测。

图3 可穿戴柔性超声传感系统