可以檢測運(yùn)動中生理數(shù)據(jù)的全集成自主可穿戴式超聲

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2023-05-2309:31剛剛，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)徐升團(tuán)隊在NatureBiotechnology雜志上發(fā)表題為“Afullyintegratedwearableultrasoundsystemtomonitordeeptissuesinmovingsubjects”的文章。該研究開發(fā)了一種可以檢測運(yùn)動中生理數(shù)據(jù)的全集成自主可穿戴式超聲系統(tǒng)貼片。加州大學(xué)圣地亞哥分校的林沐陽、張子楊、郜曉翔為共同第一作者，徐升教授為通訊作者。

可穿戴設(shè)備正在健康管理和預(yù)防疾病方面發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，目前大部分可穿戴設(shè)備只能記錄皮表或者皮下淺層組織的信號，這只能揭示有限的健康和疾病信息?？纱┐鞒晜鞲屑夹g(shù)為深層組織信號檢測提供了突破口，為連續(xù)生理指標(biāo)傳感打開了一個新的維度。

然而，目前可穿戴超聲檢查在適用性、測量連續(xù)性和可靠性方面還存在諸多局限。這些設(shè)備普遍依托于龐大的處理設(shè)備，并依賴專業(yè)醫(yī)師的精準(zhǔn)手動操作，這導(dǎo)致此類設(shè)備極大限制了患者的活動自由度，并只能夠進(jìn)行定時定點檢查。針對這些問題，加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升團(tuán)隊提出了一種全面集成的自主可穿戴式超聲系統(tǒng)貼片（ultrasonic-system-on-patch，USoP）。這種全集成的無線傳感系統(tǒng)包含一個微型化柔性電路，以及一個超聲換能器陣列，可以跟蹤移動目標(biāo)并自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，能實現(xiàn)對移動目標(biāo)深部組織的長期監(jiān)測。這項技術(shù)可以免去手持超聲探頭的要求，使得數(shù)據(jù)采集更加方便和自由。在運(yùn)動的被試身上，USoP可以連續(xù)監(jiān)測生理信號，包括中心血壓、心率、心輸出量、潮氣量等。這一結(jié)果進(jìn)一步推進(jìn)了深層組織信號的持續(xù)監(jiān)測和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

探頭制造、電路設(shè)計和算法優(yōu)化領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)讓醫(yī)學(xué)超聲能夠定性和定量地獲取人體的各種生理信息，包括解剖結(jié)構(gòu)、組織運(yùn)動、機(jī)械特性和血液動力學(xué)等。與其他醫(yī)學(xué)成像方法，如X射線計算機(jī)斷層掃描和磁共振成像相比，超聲具有更高的安全性、更低的成本和更強(qiáng)的通用性。然而，超聲的易用性和準(zhǔn)確性也面臨著一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。首先，常用的超聲探頭體積較大，需要連接到大型控制系統(tǒng)，這限制了它們在中心化設(shè)施的使用。其次，這些探頭需要手動放置和操縱，并要求受試者保持靜止，導(dǎo)致了操作者依賴性。第三，聲像圖數(shù)據(jù)的解釋需要經(jīng)過專門培訓(xùn)的醫(yī)學(xué)專業(yè)人員，需要大量的人工處理且容易出錯。

因此,近年基于軟結(jié)構(gòu)設(shè)計的新興可穿戴超聲探頭可以自然地貼合皮膚，并且無需手持，方便獲取深部組織信號。然而，由于超聲硬件通常需要高功率，高帶寬,這些可穿戴探頭都需要繁瑣的電線來連接電源和傳輸數(shù)據(jù),并且普遍以來專業(yè)人員對傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)手動部署，這極大地限制了使用者的活動和該技術(shù)的適用性。

圖1：自主可穿戴式超聲系統(tǒng)貼片設(shè)計

因此,柔性超聲傳感技術(shù)突破的關(guān)鍵點在于擁有一個完全集成的無線系統(tǒng)，擺脫有線連接束縛并不依賴于專業(yè)人員的手動操作。系統(tǒng)應(yīng)自主完成移動目標(biāo)跟蹤，自動數(shù)據(jù)采集和處理。USoP將超聲探頭和微型無線控制電子器件集成在一個柔軟的可穿戴設(shè)備上,實現(xiàn)了上述技術(shù)突破。這項技術(shù)使用多通道深部組織信號進(jìn)行監(jiān)測，該信號經(jīng)過調(diào)適和預(yù)處理后，通過無線傳輸?shù)胶蠖私邮掌?，由專門的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析。算法會根據(jù)皮下目標(biāo)組織的移動情況對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并選擇最佳傳感通道，以實時產(chǎn)生來自目標(biāo)組織的連續(xù)數(shù)據(jù)流。這種技術(shù)能夠在人體運(yùn)動過程中連續(xù)監(jiān)測深部組織信號，無需額外人工操作，同時規(guī)范了數(shù)據(jù)解讀過程，擴(kuò)大了在住院和門診條件下的應(yīng)用前景。圖2：柔性超聲傳感電路

USoP的硬件包括超聲探頭和控制電子器件。超聲探頭使用微型壓電晶體將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。控制電子器件包括多通道前端電路、后端處理單元和無線通訊模塊，采用柔性材料制造，從而實現(xiàn)了USoP的柔性化和微型化設(shè)計。當(dāng)USoP被貼在人體表面時，超聲探頭會發(fā)出超聲波并接收反射回來的信號。這些信號經(jīng)過處理和預(yù)處理后，通過無線方式傳輸?shù)胶蠖私邮掌鬟M(jìn)行分析。在此過程中，機(jī)器學(xué)習(xí)算法和深度學(xué)習(xí)技術(shù)被用來自動化采集數(shù)據(jù)、選擇信道和進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。當(dāng)在皮膚表面的USoP與皮下目標(biāo)組織發(fā)生相對滑動時，算法會實時調(diào)整并選擇最佳信道，從而保證連續(xù)的數(shù)據(jù)流。因此，該技術(shù)可以實現(xiàn)對深部組織信號的連續(xù)監(jiān)測，并且可以在運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測?？傮w上看，該技術(shù)有三大特點：

1.無線連接：通過將超聲波探頭和微型控制電子器件集成在柔軟的可穿戴設(shè)備中，實現(xiàn)了無線通信。多個傳感信道從人體采集的數(shù)據(jù)在設(shè)備上進(jìn)行預(yù)處理，然后通過無線方式傳輸?shù)胶蠖私邮掌?。這種無線連接技術(shù)可以消除傳統(tǒng)超聲波檢查需要有線連接的限制，從而讓配戴者可以自由移動。2.深層組織信號動態(tài)傳感：該研究提供了一個可以采集多種深層組織信號的傳感技術(shù)平臺。利用超聲傳感的方式，深層組織的動態(tài)信號可以被連續(xù)傳感，包括動脈搏動，心肌收縮，以及隔膜位移等動態(tài)深層組織的信號（圖3）。通過分析此類深層組織信號可以得出關(guān)鍵生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，例如心率，中心血壓，動脈硬度指數(shù)，心輸出量，以及潮氣量等，進(jìn)而為健康監(jiān)測，醫(yī)療診斷，以及治療決策提供指導(dǎo)。圖3：全身范圍深層組織信號監(jiān)測，包括動脈搏動、心肌收縮、隔膜位移等

3.自動化數(shù)據(jù)采集和處理：在數(shù)據(jù)采集方面，該技術(shù)利用前端集成電路完成硬件濾波，高速采樣以及數(shù)據(jù)傳輸。并且采用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能傳感通道選擇方案，自動選擇最佳的超聲波探頭，并對來自深部組織的信號進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。這種自動化的數(shù)據(jù)采集方式可以消除傳統(tǒng)超聲波檢查中人工操作繁瑣，運(yùn)動偽影嚴(yán)重以及難以長期使用的問題。此外，該技術(shù)還對深度學(xué)習(xí)模型的泛化性進(jìn)行了優(yōu)化。利用領(lǐng)域自適應(yīng)方法，模型可以將基于原始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集（特定被試）的特征映射至目標(biāo)領(lǐng)域（新被試），進(jìn)而使模型在大規(guī)模樣本測試中具有魯棒性。自動化數(shù)據(jù)處理方面，該技術(shù)主要基于傳統(tǒng)信號處理方法，利用互相關(guān)算法解算超聲數(shù)據(jù)并得出組織動態(tài)信號，進(jìn)而實現(xiàn)臨床數(shù)值指標(biāo)計算以及分析。

該技術(shù)是柔性超聲傳感技術(shù)從有線到無線，從人工操作到自主傳感的一大革新。徐升教授的研