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心臟功能的連續成像，對于長期心血管健康評估、急性心功能不全檢測以及危重患者或外科患者的臨床管理，非常有價值。

然而，傳統的非侵入性心功能成像方法，由于設備體積大，無法提供連續的測量，現有的可穿戴心臟設備，只能捕獲皮膚上的信號。

在此，來自美國加州大學圣地亞哥分校的徐升等研究者報道了一種可穿戴式超聲設備，用于連續、實時和直接的心臟功能評估。相關論文以題為“A wearable cardiac ultrasound imager”于2023年01月25日發表在Nature上。

該裝置的特點是壓電換能器陣列、液態金屬復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，標準的臨床實踐是通過旋轉超聲探頭在兩個正交方向上成像。為了消除手動旋轉的需要，研究者設計了一個正交構型的設備(圖1a，右)。

每個換能器元件由各向異性1-3壓電復合材料和銀環氧基襯底層組成。為了平衡穿透深度和空間分辨率，研究者選擇了3 MHz的中心共振頻率進行深層組織成像。陣列間距為0.4 mm(即0.78個超聲波波長)，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計與表征

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

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

該器件具有較高的機電耦合系數、較低的介電損耗、較寬的帶寬和可忽略的串擾，具有良好的機電性能。整個裝置的楊氏模量低至921千帕，與人體皮膚模量相當。該器件具有高達約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變在20%以內，這些機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，這對剛性超聲設備來說是一個挑戰。

在此，研究者報道了一種可穿戴式超聲設備，用于連續、實時和直接的心臟功能評估。研究者介紹了設備設計和材料制造方面的創新，改善了設備與人體皮膚之間的機械耦合，允許在運動過程中從不同角度檢查左心室。

研究者還開發了一個深度學習模型，從連續的圖像記錄中自動提取左心室容量，生成關鍵心臟性能指標的波形，如沖程容量、心排血量和射血分數。該技術能夠在各種環境下，對心臟性能進行動態可穿戴監測，大大提高了準確性。

圖2. B模式成像策略和特征

圖3. 超聲心動圖的幾種標準視圖

圖4. 運動過程中的監控

圖5. 通過深度學習自動處理圖像

綜上所述，這項技術的意義遠遠超出了心臟成像，因為它可以推廣到其他深層組織的成像，如下腔靜脈、腹主動脈、脊柱和肝臟。例如，在超聲引導的囊腫假體活檢過程中，兩個正交的成像切片同時呈現了整個活檢過程，解放了操作員的一只手。這項技術獨特的啟用能力，放棄了操作員不斷持有設備的需要。

其他未來的努力，可以通過進一步提高空間分辨率來實現。三維掃描儀只能提供靜態人體胸部的曲率。為了適應動態胸部彎曲，需要開發先進的成像算法來補償相位失真，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進行數據處理，未來的工作需要重點研究系統的小型化和集成化。此外，FCN-32神經網絡目前只能應用于訓練數據集中的科目。通過擴展訓練數據集或使用少鏡頭學習或強化學習策略優化網絡，它的泛化能力可能會得到提高，這將使模型適應更大的人口。

作者簡介

徐升，本科畢業于北京大學化學與分子工程學院，博士畢業于美國佐治亞理工學院材料科學與工程專業，其曾在伊利諾伊大學香檳分校材料科學與工程系擔任博士后研究員，現任加州大學圣地亞哥分校助理教授。

其課題組的研究工作主要集中在：用于健康監測和人機界面的可穿戴柔性電子設備。得益于其優異的研究成果，已獲得諸多獎項，包括MIT技術評論35位35歲以下的創新者、3M非終身教授獎、三星全球研究推廣獎、諾基亞貝爾實驗室獎，生物通信催化獎、材料研究學會（Materials Research Society，MRS）2019年杰出青年科學家獎的榮譽（Outstanding Young Investigator Award）（自1991年成立以來，已獲得該獎項的32位獲獎者之一）。

文獻信息

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/14/12a4f595b8/

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