经过几十年在探头制造、电路设计和算法优化方面的发展，医学超声可以定性和定量地获取人体广泛的生理信息，包括解剖结构、组织运动、力学特性和血液动力学。与 X 射线计算机断层扫描和磁共振成像等其他医学成像方法相比，超声检查更安全、更便宜且用途更广。然而，超声检查的可及性和准确性面临多项技术挑战。首先，常见的超声探头体积庞大，并且连接到大型控制系统，这限制了它们在集中式设施中的使用。其次，这些探头需要手动放置和操纵，并要求受试者保持不动，从而引入操作员依赖性。第三，超声数据的解读需要受过专门培训的医疗专业人员，劳动强度大且容易出错。床旁超声系统的最新进展大大减小了设备尺寸。然而，它们要么需要手动操作，要么需要笨重的刚性电路，因为超声硬件通常需要高功率和高带宽。使用笨重的刚性探头和电路很难覆盖大面积并符合高度弯曲的身体表面。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并以免提方式获取深层组织信号。或者，将刚性超声芯片与软粘合剂材料集成可以在人体皮肤上实现可靠的界面。然而，这些可穿戴探头都需要笨重的电缆来传输电源和数据，这极大地限制了受试者的活动能力，使动态测试或日常活动中的监视变得具有挑战性。开发具有软前端电路的全集成超声波探头尚未得到证实。此外，当前的可穿戴超声技术可能会在主体运动期间失去对目标组织的跟踪，因为皮肤表面上的设备会改变其相对于深层组织的位置。因此，它们需要频繁的手动重新定位，并且只允许进行时间点检查。此外，由于持续监控所产生的大量数据，前端电路和后端处理单元将不堪重负。因此，可穿戴超声技术发展的一个重要里程碑是实现一个完全集成的无线系统，该系统可以跟踪移动目标并自动进行数据采集和处理。于此，加利福尼亚大学圣地亚哥分校徐升等人报告了一个完全集成的自主超声贴片系统 (USoP)。USoP以柔软、可穿戴的形式集成了超声波探头和微型无线控制电子设备，克服了上述限制。
值得注意的是，该课题组近日在Nature、Nature BME上连续报道了超声贴片领域相关研究成果。USoP 硬件由超声探头和控制电子设备组成，这些电子设备以小型化软格式制造。超声波探头由压电换能器、背衬材料、蛇形互连和接触垫制成，类似于我们报告的结构。这种软探头设计降低了噪声耦合，提高了分辨率，实现了无凝胶声学耦合，并确保了探头的耐用性。
研究人员设计中心频率为 2 MHz 至 6 MHz 的探头，以实现所需的带宽、轴向分辨率和穿透深度。控制电子器件采用柔性印刷电路板，包括模拟前端和数据采集模块。模拟前端实现超声传感，通过多个组件的协调控制超声发射和接收。数字化的回波通过无线传输到终端设备进行信号处理和显示。系统具有可弯曲、可拉伸和可扭转的特性，可以与人体贴合使用。超声探头具有高带宽，控制电子器件具有高采样率和稳定的无线传输能力。系统功耗低，可通过商业锂聚合物电池连续工作12小时以上。系统可以实现多种超声成像模式，包括幅度模式、亮度模式和运动模式。该完全集成的 USoP 解决了三个目前存在的问题，并使对深层组织信号的连续监测成为可能。1）首先，USoP通过无线连接设备和后端处理系统来消除有线连接，从而允许大范围的主体移动。2）其次，USoP使用基于机器学习的算法来实时自动化数据采集和频道选择。据所知，之前报道的可穿戴设备都不能自主跟踪移动目标。3）第三，支持深度学习的数据后处理减轻了人类负担并实现了潜在的扩展。这些创新共同开辟了许多新的可能性。例如，可以在患者进行自然日常活动时对其进行监测，这可以提供与临床更相关的丰富信息。可以捕获对高强度锻炼等高风险活动的反应，以进行更严格的诊断。连续数天或数周监测心血管系统响应压力源的动态变化可以使广泛的人群受益，从需要训练优化的运动员到需要安全措施的心脏康复患者，再到一般的高危人群 心血管危险分层和预测。此外，完全集成的自主 USoP 消除了传统超声检查对操作员的依赖，标准化了数据解释过程，因此扩展了这种强大的诊断工具在住院和门诊环境中的可及性。1）首先，软超声探头在符合动态和曲线皮肤表面时面临未知换能器位置的挑战。使用没有波束形成的单个换能器的 A 模式和 M 模式不受影响，但未知的换能器位置会导致 B 模式成像的相位像差和受损的波束形成。潜在的解决方案包括应用额外的形状传感器来实时映射换能器位置，或开发迭代对比度优化算法来补偿变形阵列的相位失真。2）其次，应进一步提高USoP的长期耐磨性。将高度集成的芯片与多层软电路相结合可以进一步增强系统的机械合规性。结合可穿戴能量收集设备可以延长 USoP 的电池寿命。用更耐用和渗透性更强的粘合剂代替有机硅粘合剂有助于在皮肤变形和出汗的情况下增强皮肤融合。3）第三，USOP可以潜在地应用于其他组织目标，特别是在持续监测至关重要的高风险人群中。4）第四，机器学习处理所需的云计算资源限制了偏远和欠发达地区的可及性。基于功率性能平衡优化的机载数据分析。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
课题组简介
徐升（Sheng Xu），加州大学圣地亚哥分校副教授。博士毕业于美国佐治亚理工学院材料科学与工程专业，曾在伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系担任博士后研究员。
研究工作集中在用于健康监测和人机界面的可穿戴柔性电子设备，曾获材料研究学会（Materials Research Society，MRS）“杰出青年科学家奖”、斯隆研究奖等多项荣誉。
