可穿戴超声贴，实时心脏成像

封面图：评估心脏健康可穿戴心脏超声成像仪非常灵活，非常适合对运动中的身体进行心脏成像，即使是在剧烈运动期间也是如此。

图源：David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

然而，传统的非侵入式心脏成像方法设备体积大，不能完成长时间的连续测量任务，且心脏的成像往往需要专业的医生给出诊断结果，不能满足长时间的心脏监测需求。同时，现有的可穿戴心脏监测设备功能简单，多靠捕捉皮肤上的信号得出监测结果，无法深入到心脏本身。

可穿戴心脏超声贴片设备，可以评估人类心脏的结构和功能。这种便携式设备的大小与邮票差不多，最多可以佩戴 24 小时，即使在剧烈运动时也能正常工作。研究人员们在器件设计和材料制造方面引入创新，改善器件与人体皮肤之间的机械耦合，允许在运动过程中从不同角度检查左心室。同时开发了一种深度学习模型，可自动从连续图像记录中提取左心室容积，进而计算关键心脏性能指标的波形，如每搏输出量，心输出量和射血分数。

该器件具有压电换能器阵列，液体金属复合电极和三嵌段共聚物封装。装置以苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯（SEBS）为基础。

研究人员制作了基于共晶镓-铟液态金属和SEBS复合材料的高密度多层可拉伸电极。该复合材料具有高导电性，由复合材料制成的电磁屏蔽可以减轻环境电磁波的干扰，从而降低超声射频信号中的噪声并提高图像质量。

该装置具有优异的机电性能，这取决于其高机电耦合系数，低介电损耗，宽带宽和可忽略的串扰。整个装置的杨氏模量低至921 kPa，与人体皮肤模量相当。该装置具有高达约110%的高拉伸性并且可以承受各种变形。

超声的发射波束形成策略对图像质量至关重要。作者比较了平面波，单焦点和宽光束复合三种不同的发射波束方法。

在这三种方法中，宽波束复合实现了具有一系列传输角度的发散声波，并且每个传输的生成图像被相干组合以创建复合图像，其具有最佳质量并具有扩展的超声窗口。同时研究人员还使用了接收波束形成进一步提高图像质量的方法。宽光束复合实现了合成聚焦效果，在整个声波区域具有高声强度，从而获得了最佳的信噪比和空间分辨率。

具体来说，AI 组件涉及图像分割的深度学习模型、心脏体积计算算法和数据插补算法，使用这种机器学习模型根据左心室分割的形状和面积来计算心脏体积。成像分割深度学习模型使设备能够在不同身体状态下提供准确和连续的关键心脏指标波形，包括静态和运动后，这是以前从未实现过的。

因此，随着AI组件处理连续的图像流以生成数字和曲线，该技术可以连续且无创地生成这三个指标的曲线。

使用传统的繁琐设备无法做到在运动过程中对心脏实时监测，本文中的可穿戴式超声波贴片非常适合克服这一挑战。该装置可以连接到胸部，对受试者运动限制较小，从而提供心脏活动的的连续记录。研究人员对比了受试者在休息，锻炼，恢复三个阶段的超声信号表现。

图5：三种状态下的受试者及对应的超声信号表现

图源：Nature613, 667–675 (2023).

这项技术的意义远远超出了对心脏的成像范围，因为它可以推广到对其他深部组织进行成像，例如下腔静脉，腹主动脉，脊柱和肝脏。也许在未来，一个邮票大小的贴片会成为我们每个人生活中必备的家庭医生。

编辑：陆定辞