一、研究背景


(资料图)

心功能的连续成像对于评估长期心血管健康、检测急性心功能障碍和危重患者或外科患者的临床管理是非常必要的。然而，传统的非侵入性心功能成像方法由于设备体积大，无法提供连续的测量，现有的可穿戴心脏设备只能捕获皮肤上的信号。

二、研究成果

美国加州大学圣地亚哥分校徐升教授课题组报道了一种可穿戴式超声设备，用于连续、实时和直接的心功能评估。作者介绍了设备设计和材料制造方面的创新，改善了设备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。作者还开发了一个深度学习模型，从连续的图像记录中自动提取左心室容量，生成关键心脏性能指标的波形，如冲程容量、心排血量和射血分数。该技术能够在各种环境下对心脏性能进行动态可穿戴监测，大大提高了准确性。相关研究工作以“A wearable cardiac ultrasound imager”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺！

徐升，加州大学圣地亚哥分校助理教授。本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，博士毕业于美国佐治亚理工学院材料科学与工程专业，其曾在伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系担任博士后研究员，2021年2月，获得2021年斯隆研究奖。他让非定制电子器件变得可伸缩。得益于徐升构建的精巧结构，柔性电子器件可以贴合人体，不再需要在电子特性与机械特性之间做出妥协。将刚性电子元件与柔性材料相结合很困难，机械特性的不匹配将产生巨大拉力，导致它们在变形时分离。这也是为什么之前大多数柔性电子元件的研究都集中于构建柔软且有弹性的新元件。但是徐升对此并不认同，他表示“为什么不用已经发展了几十年的成熟技术呢？”他的策略是将非定制元件融入弹性材料，从而创造出高弹性且又与刚性元件性能不相上下的电子器件。徐升选择将组件的一小部分粘在弹性材料上，然后用充液胶囊将其支撑起来。这些元件通过长长的弯成波浪线的金属丝连在一起，金属丝可以在拉伸时有序地展开。利用这种方法他创造出一款最多可以延展三倍的锂电池，以及一台可以随着身体的动作而自行调整的医疗级健康监测器。后者已由一家名为 MC10 的初创公司开发成可穿戴的生理传感器 BioStamp。2018年，《麻省理工科技评论》公布2018 年度全球 “35 岁以下科技创新 35 人”发明家榜单，徐升在列。

三、图文速递

该装置具有压电换能器阵列，液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装，如图爆炸示意图所示(图1a)。该装置构建在苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)上。为了提供心脏的全面视图，标准的临床实践是通过旋转超声探头在两个正交方向上成像。为了消除手动旋转的需要，作者设计了一个正交配置的设备(图1a)。每个换能器元件由各向异性的压电复合材料和银环氧树脂基衬底层组成。为了平衡穿透深度和空间分辨率，作者选择了3 MHz的中心谐振频率用于深层组织成像。阵列间距为0.4 mm(即0.78个超声波波长)，这提高了横向分辨率并减小了光栅叶。

为了在这样一个紧凑的阵列中分别处理每个元素，作者基于共晶镓铟液态金属和SEBS的复合材料制作了高密度多层可拉伸电极。该复合材料导电性好，易于定型(图1b,c)。重叠剪切测量表明，换能器元件与SEBS衬底之间的界面结合强度约为250 kPa，换能器元件与复合电极之间的界面结合强度约为236 kPa(图1d)，它们都比典型的商业粘合剂更强。所得到的电极厚度仅为约8 μm。可以减轻环境电磁波的干扰，从而降低了超声射频信号中的噪声，提高了图像质量。该器件具有良好的机电性能，其机电耦合系数高，介电损耗低，带宽宽，串扰可忽略。整个装置的杨氏模量较低，为921 kPa，与人体皮肤模量相当。

该器件具有高达约110%的高拉伸性(图1e)，并能承受各种变形(图1f)。考虑到人体皮肤的典型应变在20%以内，这些机械性能允许可穿戴式成像仪与皮肤保持大面积的亲密接触，这对刚性超声设备来说是一个挑战。

作者通过应力超声心动图来演示该装置在运动过程中的性能。在整个过程中，该装置被附着在受试者身上，沿着胸骨旁长轴进行连续记录，这包括三个主要阶段(图4a)。休息阶段为仰卧位。在运动阶段，受试者在固定自行车上进行几次间歇运动，直到达到可能的最大心率。在恢复阶段，受试者再次仰卧位。

该设备可以不间断地跟踪左室活动，包括相应的M型超声心动图和同步心率波形(图4b,c)。作者检查了每个测试阶段的代表性切片，提取左室内径收缩期结束(LVIDs)和左室内径舒张期结束(LVIDd)(图4d)。受试者的LVIDs和LVIDd在休息阶段保持稳定(图4e)。在运动阶段，受试者室间隔和左室后壁向皮肤表面靠近，且左室后壁比左室后壁移动更多，导致LVIDs和LVIDd下降。在恢复阶段，LVIDs和LVIDd慢慢恢复正常。分数缩短(一种心肌收缩力的测量方法)的变化反映了应激超声心动图不同阶段对血液供应需求的变化(图4e)。特别是，图4b中的第4部分包括了运动时段以及休息间隔，此时也可以从左心室后壁运动中看到深呼吸的模式(图4f)。

在健康受试者中，左心室容积是不断变化的，通常遵循静止状态模式。因此，搏量、心排血量和射血分数也趋于恒定。然而，心脏疾病或日常活动(如运动)可能会动态改变这些指标。

为了验证可穿戴式成像仪在动态情况下的性能，作者从应力超声心动图恢复阶段的记录中提取了左心室容积(图5e)。由于人体解剖结构的限制，在站立位置采集图像时，左心室的尺寸无法准确确定。由于运动后的深呼吸，图像中心脏有时会被肺阻塞。作者使用一种图像imputation算法来补充被阻塞的部分。采集的波形显示左室容积有增大的趋势。图5f说明了从恢复阶段的开始、中间和结束拍摄的三个有代表性的记录部分。在初始段，由于心率高，分离期几乎不明显。在中段，可见分离阶段。在最后一段，心率明显下降。舒张末期和收缩期末期容积增加，因为恢复期间心跳减慢，使血液有更多时间填充左心室 (图5g)。每搏容积逐渐增大，说明舒张末期容积的增加略快于收缩末期容积(图5g)。在恢复过程中，射血分数随着心脏收缩的减小而减小(图5g)。

心排血量减少，说明心率降低带来的影响大于搏量增加带来的影响，超声心动图在心脏疾病的诊断中具有重要意义，但目前在临床上实施繁琐，限制了超声心动图在连续监测中的应用。基于可穿戴刚性模块或柔性补丁的新兴技术缺乏可穿戴超声技术的一种或多种理想特性。在这项工作中，作者提供了不间断的逐帧心脏图像采集，即使受试者正在进行高强度运动。此外，具有深度学习功能的可穿戴式成像仪通过自动连续输出关键心脏指标曲线来提供可操作的信息，如心肌位移、每搏量、射血分数和心排血量，这在重症监护、心血管疾病管理和运动科学中非常值得使用。这种能力在传统的临床实践中是前所未有的，而且这种非侵入性可以将潜在的好处扩展到门诊和运动人群。

这项技术的意义远远超出心脏成像，因为它可以推广到其他深层组织的成像，如下腔静脉、腹主动脉、脊柱和肝脏。例如，在超声引导的囊肿假体活检过程中，两个正交的成像切片同时呈现了整个活检过程，解放了操作人员的一只手。该技术独特的启用能力使得操作人员不需要一直握着设备。

四、结论与展望

作者表示，其他未来的努力可以通过进一步提高空间分辨率来实现。三维扫描仪只能提供静态人体胸部的曲率。为了适应动态胸部弯曲，需要开发先进的成像算法来补偿相位失真，从而提高空间分辨率。此外，可穿戴式成像仪通过柔性电缆连接到后端系统进行数据处理，未来的工作重点是系统小型化和集成化。此外，FCN-32神经网络目前只能应用于训练数据集中的科目。通过扩展训练数据集或使用少样本学习few-shot-learning或强化学习reinforcement-learning策略优化网络，它的泛化能力可能会得到提高，这将使模型适应更大的人口。

五、文献

文献链接：

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

文献原文：

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