就在上一年7月份，麻省理工学院赵选贺等人在Science上介绍了一种生物粘附超声 (BAUS) 贴片，他们通过将软水凝胶封装在弹性体薄膜中并在其上涂上生物粘附材料，从而结合了弹性体和水凝胶的优点，解决了目前可穿戴超声贴片的一些突出挑战。（MIT赵选贺Science：超声贴片！）

近日，加州大学圣地亚哥分校徐升等研究人员在该领域同样深耕，历经4年努力，开发了一种可穿戴超声贴片，即使佩戴者在移动，也能对心脏进行连续成像。该成像器体积很小，无需手持或繁琐的固定即可贴合人体。它具有与皮肤相似的弹性，因此对用户的日常活动的限制最小。成果发表在Nature上。

心血管疾病通常与心脏成像检测到的心脏泵送能力的变化有关。因此，心脏的无创、连续成像对于早期检测和监测心血管疾病很有价值。现有的评估心脏功能的方法能够进行成像或连续测量，但不能同时进行两者。非成像方法包含的信息比图像少，但成像方法只能捕获短暂的快照，还涉及笨重的设备，并且需要训练有素的技术人员来操作探头。监测周期不足可能导致无法检测到仅短暂出现的症状，如窦性心律失常。

此外，现有庞大的成像设备无法对正在运动的个人的心脏进行成像，这是一个重要的限制，因为某些与疾病相关的反应仅在运动引起的压力下出现。此外，目前，心脏病学家必须手动分析从心脏成像中得出的任何定量测量结果，这是一个艰巨、漫长且受观察者间差异影响的过程。

研究人员报告了一种用于连续、实时和直接心脏功能评估的可穿戴超声设备。研究人员引入了设备设计和材料制造方面的创新，改善了设备与人体皮肤之间的机械耦合，允许在运动过程中从不同的角度检查左心室。

该装置由压电换能器阵列、液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装而成。该装置基于苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（styrene–ethylene–butylene–styrene, SEBS）。为了提供心脏的全面视图，标准的临床实践是通过旋转超声探头在两个正交方向上对其进行成像。为了消除手动旋转的需要，研究人员设计了正交配置的设备。每个换能器元件由各向异性1-3压电复合材料和基于银环氧树脂的背衬层组成。为了平衡穿透深度和空间分辨率，研究人员选择了3 MHz用于深层组织成像。阵列间距为0.4 mm（即0.78超声波波长），可提高横向分辨率并减少栅瓣。该成像器由两个呈十字形排列的线性超声换能器阵列组成，无需重新定位即可从两个正交视图进行成像。超声贴片中的密集元件提供与商业成像器相似的成像质量。

图|可穿戴心脏成像仪的设计和表征

此外，研究人员定制了一个神经网络来自动处理图像以提取心脏性能的关键指标，例如每搏输出量（每次收缩泵出的血液量）、心输出量（每分钟泵出的血液量）和射血分数（一个心室，即左心室，每次收缩排出的血液的体积分数），从而消除了观察者之间的差异。为了测试该系统，研究人员在运动前、运动中和运动后监测了心脏对压力的反应。在运动过程中使用超声波来测试心脏解剖结构和功能是前所未有的。

图|多个标准视图中的超声心动图

图|运动过程中的监测

可穿戴超声成像仪的免提连续操作为提高诊断准确性和患者体验提供了许多可能性。可穿戴超声技术为深层组织传感开辟了一个新的维度。该技术可以扩展到对各种深层组织和中央器官进行成像，而不仅仅是心脏。捕捉内部组织和器官的解剖结构和动态功能的连续超声图像可以提供前所未有的有关健康状况和健康状况的信息。研究人员开发的算法使用一种称为深度学习的人工智能技术，可以为临床医生提供客观、可操作的信息，帮助他们做出治疗决策。与传统可穿戴设备测量的表面信号相比，深层组织信号提供了关于疾病状态和预后的更准确信息。持续不断的信息流还可能对预测急性不良事件和及时干预产生重大影响，从而有可能挽救许多生命。

目前形式的可穿戴成像贴片并不完美。未来还须提高其空间分辨率。为了使设备适应不同的静态和动态曲面，需要通过先进的成像算法或几何传感技术来优化由换能器阵列变形引起的失真信号的补偿。此外，应该推广深度学习模型，使其适用于更大的人群。该设备目前通过柔性电缆连接到后端，用于数据和电力传输；后端控制超声和图像处理，并提供用户界面和图像显示屏幕。因此，需要进一步的工作来开发一种完全集成的可穿戴超声系统，该系统具有柔软的微型驱动电子设备和内置电源。

参考文献：

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