|
可穿戴超声波系统即将问世！实时了解我们的身体如何运作 在四月一个阳光明媚的日子里，王冲和博士沿着马萨诸塞州剑桥市的查尔斯河慢跑，皮肤上贴着一系列小贴片。每个贴片都是一个超声波贴纸。在智能手机上，实时画面循环播放着心脏瓣膜的跳动、肌肉的弯曲、横膈膜的起伏以及血液在动脉中的流动。通过与这些隐藏的生理结构无缝连接，跑步者能够实时观察自己身体的运作。像这些贴纸一样的可穿戴超声波设备仍然面临着许多挑战。但它们代表了我们对超声成像和可穿戴设备未来的憧憬。在此，MIT赵选贺教授和王冲和博士在《Nature》上发表评论文章概述了此类技术的前景，并强调了在未来 5-10 年内推出此类设备所面临的障碍。
一种使用生物粘合剂附着在皮肤上的可穿戴超声设备实时身体成像在个人保健技术领域，Fitbit 和 Apple Watch 等可穿戴设备已经家喻户晓。这些设备通过传感器和智能技术，能够追踪步数、监测心率，甚至进行心电图检查，这些在以前需要去医生办公室才能完成。它们以简洁易懂的方式展示生物特征数据，帮助人们养成更健康的生活方式。可穿戴式血糖监测仪还能持续读取血糖值，让糖尿病患者摆脱频繁扎针的困扰。然而，现有的可穿戴设备通常仅能收集皮肤表面以下几毫米范围内的数据。而其他技术如磁共振成像 (MRI)、X 射线和超声波则能够对内部器官进行成像。其中，超声波技术正在成为可穿戴设备中的佼佼者。超声波通过发送高频声波到体内，声波从内部结构反射回来，生成实时图像，展示心脏跳动或血液流动等动态过程。传统的超声设备需要专业技师操作，通常仅限于医院和诊所使用。然而，与需要复杂且可能有害的电离辐射的 X 射线不同，超声波相对安全且非侵入性，特别适合连续监测的可穿戴形式。赵选贺教授团队在过去几年中一直致力于探索可穿戴超声技术。作者已开发的设备仅几厘米长，通过生物粘合剂附着在皮肤上，并通过电线连接到袖珍电池和数据传输系统。该系统能够将临床级数据无线传输到平板电脑或智能手机。虽然原型仍处于早期阶段，但已经可以提供连续的、高质量的深层组织图像。当前的电池寿命允许在几天内每小时多次拍摄一分钟长的视频。虽然尚未进行临床试验，但作者预计在未来几年内会达到这一阶段。可穿戴超声系统在改变医疗保健、支持预防性护理和主动健康管理方面具有巨大的潜力。在临床环境中，它们可以持续监测高危患者、跟踪高危妊娠中的胎儿健康状况或监督手术后的恢复情况。除此之外，这些设备还可以为偏远地区带来诊断和监测工具，使中低收入国家更容易获得和负担得起医疗成像。随着技术的完善，作者预计它将融入日常生活，用于管理高血压等慢性疾病，或实现心力衰竭、腹主动脉瘤和深静脉血栓的早期检测。长时间连续、同时对多个器官系统进行成像的能力也为增强我们对复杂生理和病理过程的理解提供了机会。获得的数据和见解将极大地拓宽我们对人类生物学和生理学的认识。让我们共同期待这一科技带来的健康新纪元。
可穿戴超声技术的未来与挑战可穿戴超声技术已经克服了一些关键技术挑战，但仍面临更多问题，包括提高设备的耐用性、灵活性和准确性，以及使其佩戴更舒适并延长电池寿命。1.小型化：Butterfly Network 公司在超声技术小型化方面取得了重要进展。他们为 Butterfly iQ 设备创建了一个紧凑的超声片上平台，该设备于 2017 年获得 FDA 批准。虽然 Butterfly iQ 不是无线的或完全可穿戴，但它证明了紧凑超声设备的高质量成像潜力。此外，超声波贴片系统 (USoP) 的最新进展促进了完全集成系统的开发，将超声波探头与微型无线控制电子设备结合在一起。虽然 USoP 技术尚无法提供高质量成像，但可以连续跟踪深层组织的生理信号，并且可以无线操作。未来的目标是将临床质量的超声成像功能与完全集成的无线可穿戴设备相结合。2. 皮肤连接：为了有效发射和接收声波，超声波探头需要与皮肤有良好连接。传统上，超声检查使用液体凝胶填充探头和皮肤之间的间隙，但在可穿戴应用中凝胶会很快流失。一些研究小组已开发出可拉伸的超声波探头以符合皮肤的弯曲表面，但这种方法可能会影响成像性能。赵选贺教授团队开发了一种生物粘附超声波探头，通过水凝胶-弹性体混合物制成的“耦合剂”层粘附在皮肤上，提供了坚固且灵活的连接，保持良好的声学界面以实现高质量成像。3.方向性：确保超声波探头在佩戴者运动时保持正确方向也是一个重要挑战。赵选贺教授团队致力于开发可调节的生物粘附耦合剂，以便微调声波的方向。目前，这需要临床医生进行初步手动调整，以确保探头对准正确。在实际使用中，生物粘附超声贴片在慢跑和步行等日常活动中通常能保持方向良好，但在极端运动或睡眠中需要重新调整
一组医生携带超声波设备前往中国云南省的一个偏远村庄4. 数据分析：人工智能 (AI) 可以通过解释生成的图像，帮助进行数据分析，并提醒临床医生和用户潜在的健康问题。虽然 AI 辅助数据分析已在临床环境中应用，但在可穿戴超声领域面临新的挑战，因为用户的运动会增加数据噪声和变化。赵选贺教授团队正在研究神经网络和生成 AI 模型，以提高图像清晰度并减少误报，确保只标记重要的健康问题以供进一步检查。5. 数据传输：确保数据隐私并开发强大的无线通信协议以处理连续成像的大量数据流至关重要。尽管当前系统可以处理间歇性数据采样，但连续数据传输仍是一个障碍。赵选贺教授团队正在开发安全高效的数据压缩方法，并确保实时传输不损害患者隐私。这需要进一步研究以提高带宽效率并确保强大的加密方法来保护患者数据。6. 跨学科合作：科学家、工程师、临床医生和监管机构之间的合作已经开始，这对于充分发挥可穿戴超声技术的潜力至关重要。与技术创新者的合作推动了电池和传感器等组件的进步，与数据科学家的合作完善了操作指导和数据分析算法。持续的严格研究、临床试验和患者反馈将是推进可穿戴超声技术的关键。7. 监管：尽管传统超声设备有明确的监管途径，但为可穿戴超声设备建立类似途径将加速其安全有效地融入临床实践。目前，FDA 和其他监管机构正在努力调整现有法规，以适应可穿戴技术的独特性。主要挑战包括制定持续监控标准、确保数据隐私和保护无线传输安全。解决这些监管问题对于确保可穿戴超声设备的安全性和有效性至关重要。实现这些目标是将可穿戴超声从有前途的原型转变为个性化医疗中不可或缺工具的关键。最终，可穿戴超声设备的广泛采用不仅将改变我们监测慢性病的方式，还将改变我们对人体的理解。作者简介
赵选贺教授是MIT的终身教授，师从锁志刚院士。赵教授课题组研究领域涵盖机械、材料和生物技术，长期致力于推动人机交互和融合科技。他当前的研究重点之一是软材料科技在转化医学和水处理领域的应用。赵教授课题组的研究成果已经产生了广泛的社会影响。例如，课题组研制的高韧性水凝胶-弹性体复合材料作为人体组织模型，已经被美国大部分医院用于训练医生进行医学成像；他们开发的缓解关节疼痛的剪纸（Kirigami）绷带，每年也让成千上万的患者受益。赵教授获得的奖项和荣誉包括：NSF CAREER奖、ONR青年研究员奖、SES青年研究员奖章、ASME Hughes青年研究员奖、Adhesion Society青年科学家奖、Materials Today新星奖和Web of Science高被引科学家等。
王冲和，曾经是徐升实验室的硕士生。在硕士期间以第一作者身份在Nature Biomedical Engineering上发表过两篇论文。硕士毕业后，王冲和去到MIT赵选贺实验室读博，他致力于可穿戴超声波技术的研究，该技术能够长期成像监测人体深层组织的生命体征。他首创了人类第一代可穿戴超声贴片，并在8年的开发过程中率先提出并验证了‘可穿戴深度组织传感器’，以及‘可穿戴成像’等突破性概念，研究成果发表在Science，AM等top期刊上。王冲和博士于2024年作为联合创始人和CTO创立了Sonologi，一家专注贴片超声技术的深科技公司，并获1800万人民币种子轮第一轮投资。
文献链接 Chonghe Wang & Xuanhe Zhao, See how your body works in real time — wearable ultrasound is on its way。Nature 630, 817-819 (2024) https://www.nature.com/articles/d41586-024-02066-5 本文译自Nature。
| 
