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心臟功能的連續(xù)成像，對(duì)于長(zhǎng)期心血管健康評(píng)估、急性心功能不全檢測(cè)以及危重患者或外科患者的臨床管理，非常有價(jià)值。

然而，傳統(tǒng)的非侵入性心功能成像方法，由于設(shè)備體積大，無法提供連續(xù)的測(cè)量，現(xiàn)有的可穿戴心臟設(shè)備，只能捕獲皮膚上的信號(hào)。

在此，來自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的徐升等研究者報(bào)道了一種可穿戴式超聲設(shè)備，用于連續(xù)、實(shí)時(shí)和直接的心臟功能評(píng)估。相關(guān)論文以題為“A wearable cardiac ultrasound imager”于2023年01月25日發(fā)表在Nature上。

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該裝置的特點(diǎn)是壓電換能器陣列、液態(tài)金屬復(fù)合電極和三嵌段共聚物封裝，如分解示意圖(圖1a等)所示。該裝置建立在苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)上。為了提供心臟的全面視圖，標(biāo)準(zhǔn)的臨床實(shí)踐是通過旋轉(zhuǎn)超聲探頭在兩個(gè)正交方向上成像。為了消除手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的需要，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)正交構(gòu)型的設(shè)備(圖1a，右)。

每個(gè)換能器元件由各向異性1-3壓電復(fù)合材料和銀環(huán)氧基襯底層組成。為了平衡穿透深度和空間分辨率，研究者選擇了3 MHz的中心共振頻率進(jìn)行深層組織成像。陣列間距為0.4 mm(即0.78個(gè)超聲波波長(zhǎng))，提高了橫向分辨率，減少了光柵瓣。

圖1. 可穿戴心臟成像儀的設(shè)計(jì)與表征

為了在這樣一個(gè)緊湊的陣列中分別處理每個(gè)元素，研究者基于共晶鎵銦液態(tài)金屬和SEBS的復(fù)合材料制作了高密度多層可拉伸電極。該復(fù)合材料導(dǎo)電性好，易于定型(圖1b,c)。

重疊剪切測(cè)量表明，換能器元件與SEBS襯底之間的界面結(jié)合強(qiáng)度約為250 kPa，換能器元件與復(fù)合電極之間的界面結(jié)合強(qiáng)度約為236 kPa(圖1d)，兩者都比典型的商用膠粘劑更強(qiáng)。所得電極厚度僅為8 μm左右。電磁屏蔽也是由復(fù)合材料制成，可以減輕環(huán)境電磁波的干擾，從而降低了超聲射頻信號(hào)中的噪聲，提高了圖像質(zhì)量。

該器件具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)、較低的介電損耗、較寬的帶寬和可忽略的串?dāng)_，具有良好的機(jī)電性能。整個(gè)裝置的楊氏模量低至921千帕，與人體皮膚模量相當(dāng)。該器件具有高達(dá)約110%的高拉伸性(圖1e)，并能承受各種變形(圖1f)。

考慮到人體皮膚的典型應(yīng)變?cè)?0%以內(nèi)，這些機(jī)械性能允許可穿戴式成像儀與皮膚保持大面積的親密接觸，這對(duì)剛性超聲設(shè)備來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在此，研究者報(bào)道了一種可穿戴式超聲設(shè)備，用于連續(xù)、實(shí)時(shí)和直接的心臟功能評(píng)估。研究者介紹了設(shè)備設(shè)計(jì)和材料制造方面的創(chuàng)新，改善了設(shè)備與人體皮膚之間的機(jī)械耦合，允許在運(yùn)動(dòng)過程中從不同角度檢查左心室。

研究者還開發(fā)了一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型，從連續(xù)的圖像記錄中自動(dòng)提取左心室容量，生成關(guān)鍵心臟性能指標(biāo)的波形，如沖程容量、心排血量和射血分?jǐn)?shù)。該技術(shù)能夠在各種環(huán)境下，對(duì)心臟性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)可穿戴監(jiān)測(cè)，大大提高了準(zhǔn)確性。

圖2. B模式成像策略和特征

圖3. 超聲心動(dòng)圖的幾種標(biāo)準(zhǔn)視圖

圖4. 運(yùn)動(dòng)過程中的監(jiān)控

圖5. 通過深度學(xué)習(xí)自動(dòng)處理圖像

綜上所述，這項(xiàng)技術(shù)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了心臟成像，因?yàn)樗梢酝茝V到其他深層組織的成像，如下腔靜脈、腹主動(dòng)脈、脊柱和肝臟。例如，在超聲引導(dǎo)的囊腫假體活檢過程中，兩個(gè)正交的成像切片同時(shí)呈現(xiàn)了整個(gè)活檢過程，解放了操作員的一只手。這項(xiàng)技術(shù)獨(dú)特的啟用能力，放棄了操作員不斷持有設(shè)備的需要。

其他未來的努力，可以通過進(jìn)一步提高空間分辨率來實(shí)現(xiàn)。三維掃描儀只能提供靜態(tài)人體胸部的曲率。為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)胸部彎曲，需要開發(fā)先進(jìn)的成像算法來補(bǔ)償相位失真，從而提高空間分辨率。

此外，可穿戴式成像儀，通過柔性電纜連接到后端系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，未來的工作需要重點(diǎn)研究系統(tǒng)的小型化和集成化。此外，F(xiàn)CN-32神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目前只能應(yīng)用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的科目。通過擴(kuò)展訓(xùn)練數(shù)據(jù)集或使用少鏡頭學(xué)習(xí)或強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，它的泛化能力可能會(huì)得到提高，這將使模型適應(yīng)更大的人口。

作者簡(jiǎn)介

徐升，本科畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，博士畢業(yè)于美國(guó)佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)，其曾在伊利諾伊大學(xué)香檳分校材料科學(xué)與工程系擔(dān)任博士后研究員，現(xiàn)任加州大學(xué)圣地亞哥分校助理教授。

其課題組的研究工作主要集中在：用于健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)界面的可穿戴柔性電子設(shè)備。得益于其優(yōu)異的研究成果，已獲得諸多獎(jiǎng)項(xiàng)，包括MIT技術(shù)評(píng)論35位35歲以下的創(chuàng)新者、3M非終身教授獎(jiǎng)、三星全球研究推廣獎(jiǎng)、諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室獎(jiǎng)，生物通信催化獎(jiǎng)、材料研究學(xué)會(huì)（Materials Research Society，MRS）2019年杰出青年科學(xué)家獎(jiǎng)的榮譽(yù)（Outstanding Young Investigator Award）（自1991年成立以來，已獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的32位獲獎(jiǎng)?wù)咧唬?/span>

文獻(xiàn)信息

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

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05498-z

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