• 2023-01-28 14:00:44 　来源：生物世界　E231G0

作者|王聪 来源|生物世界(ID：ibioworld)

心脏功能连续成像，对于长期心血管健康评估、急性心功能不全检测以及危重患者或外科患者的临床管理非常有价值。然而，传统的非侵入性心脏功能成像方法，例如超声心动图，需要训练有素的技术人员和笨重的设备进行，而且无法提供连续测量。而现有的可穿戴心脏检测设备只能捕获来自皮肤的信号。

2023年1月25日，加州大学圣地亚哥分校徐升团队（第一作者为胡鸿杰博士）在 Nature 期刊发表了题为：A wearable cardiac ultrasound imager 的研究论文。

研究团队开发了一款可穿戴超声贴片设备，能够在多种环境下对心脏进行连续、实时和直接的动态监测，并大大提高了准确性。

这种便携式设备仅邮票般大小，可以24小时佩戴，即使在剧烈运动时也能正常工作。研究团队还开发了一个人工智能算法，从连续监测模型中自动提取左心室容积，生成关键心脏功能指标。

研究团队表示，这项技术的意义远远超出了心脏成像，它还可以推广到其他深层组织的成像，例如下腔静脉、腹主动脉、脊柱和肝脏等等。

徐升，2006年本科毕业于北京大学化学学院，2011年在佐治亚理工学院获得材料科学与工程专业博士学位，此后在伊利诺伊大学香槟分校从事博士后研究工作，2015年，徐升加入加州大学圣地亚哥分校（UCSD），现为加州大学圣地亚哥分校纳米工程副教授。

徐升实验室涉及多个研究方向，包括可穿戴电子设备、细胞接口和功能性材料，总的来说，就是通过制造新材料和制造技术来开发用于解决生物医学问题的柔性电子设备。

徐升实验室研究方向

在这项最新研究中，徐升团队开发了一款可穿戴超声贴片设备，这种便携式设备尺寸为1.9厘米×2.2厘米×0.09厘米，仅邮票般大小，由压电换能器阵列、液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装而成。整个设备柔软且具有弹性，即使在运动过程中也能很好地贴合人体皮肤。

徐升教授表示，现在对心脏进行超声波检查的超声心动图，需要有专业人员借助笨重的专业设备才能完成，而这项研究能够让任何人都是随时随地使用超声波进行心脏功能监测。

心脏成像是评估心脏长期健康、发现问题和护理危重患者的重要临床工具。基于研究团队此前开发的深层组织可穿戴成像技术，结合设备设计和材料制造上的创新，以及定制的人工智能算法，这款新型可穿戴、非侵入性心脏超声监测设备可以实时、自动监测难以捕捉的心脏泵血情况，即使在剧烈运动时也可以正常工作。而心脏供血不足是大多数心血管疾病的根源，这些心脏功能问题通常只在运动时才表现出来。

在运动中监测心脏功能

该设备使用超声波连续捕捉心脏四个腔室不同角度的图像，并使用定制的人工智能算法实时分析图像的临床相关子集，包括分析心脏的每搏输出量（心脏每次搏动泵出的血液量）、射血分数（每次搏动从心脏左心室泵出的血液百分比）和心输出量（心脏左心室或右心室每分钟泵出的血液量）。

徐升教授表示，这款设备能够为患者和医生提供更全面的细节，持续和实时的心脏图像监测，将从根本上优化和重塑心脏诊断的范式。

基于人工智能算法自动处理监测图像

相比之下，现有的非侵入性监测方法取样能力有限，提供的数据也有限。而这款可穿戴、非侵入性心脏超声监测设备，能够实现安全、无创和高质量的心脏成像，产生具有高空间分辨率、时间分辨率和高对比度的图像。而且该设备尺寸小巧，能够最大限度地减少患者的不适感，可以贴在胸前皮肤上，几乎不会限制患者的运动，甚至可以纪录运动前、运动中和运动后的心脏活动。该设备还克服了CT和PET等非侵入性技术的一些局限性（这些技术需要将患者暴露在辐射中）。

论文第一作者胡宏杰博士

最后，研究团队表示，这项技术的意义远远超出了心脏成像，因为它还可以推广到其他深层组织的成像，例如下腔静脉、腹主动脉、脊柱和肝脏等等。

早在2018年，徐升团队就在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表论文【2】，开发了一款柔性贴片设备，该设备可以通过超声波脉冲实时、持续测量血压。

基于这项研究成果，徐升和工程师相舒联合创立一家名为 Softsonics 的公司，该公司正在开发可以贴在颈动脉或颈静脉上方皮肤上的贴片设备，用于监测血压。这篇发表在 Nature 的研究成果，也将继续在 Softsonics 公司进行商业化开发。

2022年7月，麻省理工学院赵选贺教授团队在 Science 期刊发表了一篇题为：Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs 的研究论文【3】。

该研究展示了一款新颖独特的设备，这款邮票般大小的设备可以贴在皮肤上，并能连续48小时提供体内器官的超声波成像。

值得一提的是，徐升团队2018年的这篇 Nature Biomedical Engineering 论文和赵选贺团队2022年的这篇 Science 论文的第一作者是同一个人——王冲和。

论文链接：

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

https://www.nature.com/articles/s41551-018-0287-x

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542

编者按：本文转载自微信公众号：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聪

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