可穿戴超声波传感技术揭秘人体运作状态
2024-07-20 13:44:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
近期，麻省理工学院机械工程系的研究人员概述了可穿戴超声波传感技术的前景，并重点介绍了要在未来5-10年内推出此类设备所要克服的剩余障碍。
全身连续可穿戴超声波传感技术将为医疗保健和生物医学研究带来益处。但在此之前，仍有七个关键障碍有待克服。
一种利用生物粘合剂附着在皮肤上的可穿戴超声波器件
据麦姆斯咨询报道，美国麻省理工学院（MIT）机械工程系的研究人员今年四月在查尔斯河畔的慢跑中测试了一种超声波皮肤贴片。通过智能手机，可以实时循环播放跑者的心脏瓣膜跳动、肌肉弯曲、横膈膜起伏以及血液在动脉中的流动。与这些隐藏的生理层无缝连接，跑者能够实时观察自己身体的运作状态。
当然，像这样的可穿戴超声波器件要真正商业化仍然面临许多挑战，但其代表了人们对超声传感/成像和可穿戴超声波设备的未来愿景。据麦姆斯咨询介绍，近期，麻省理工学院机械工程系的研究人员概述了此类技术的前景，并重点介绍了要在未来5-10年内推出此类设备所要克服的剩余障碍。
实时人体成像
在个人健康护理领域，Fitbit和Apple Watch等可穿戴设备已经家喻户晓。这些设备是传感器和智能技术的小能手，可以追踪步数、监测心率，甚至还能进行以往需要在医院才能做的心电图检查。它们能够以简洁、易理解的指标展示生物特征数据，引导人们转向更健康的生活方式。可穿戴血糖监测仪能够连续获得血糖值，让糖尿病患者摆脱频繁指尖采血的痛苦。
然而，现有可穿戴设备通常只能收集皮肤表层以下几毫米范围内的数据。而其它专业技术的观测范围远远超出了这一表层，例如，磁共振成像（MRI）、X射线和超声波都能对内部器官进行成像。在这些技术中，超声波传感技术正在迈向可穿戴方式的竞争中崭露头角。
超声波传感技术基于声呐原理工作，它向人体发送高频声波，声波从内部结构反射回来，从而生成心脏跳动或血液流动等动态过程的实时图像。传统的床旁超声成像设备，需要训练有素的超声技师将手持式超声探头按压在静止的患者身上，这意味着这些设备通常局限于医院和诊所。然而，与需要复杂且可能有害的电离辐射X射线不同，超声波相对容易产生、无创且安全。这些特点使超声波传感技术特别适用于需要持续监测的可穿戴设备。
过去几年来，麻省理工学院的研究团队一直在探索可穿戴超声波传感技术，当然还有其它研究小组也在追求同样的目标。麻省理工学院研究团队开发的可穿戴超声波设备只有几厘米长，利用生物粘合剂粘贴在皮肤上，并通过导线连接袖珍电池和数据传输系统。该系统可将临床数据无线传输到平板电脑或智能手机。这款原型虽然仍处于起步阶段，但可以提供连续、高质量的深部组织图像。目前的电池寿命支持间歇（持续数天，每小时多次）拍摄长达一分钟的视频。研究人员尚未对该设备进行临床试验，但预计在未来几年内有望进入临床阶段。
可穿戴超声波系统在改善医疗保健方面大有可为，有力推动向预防性保健和前瞻性健康管理转变。在临床环境中，它们有望持续监测高危病人、跟踪高危妊娠中的胎儿健康状况或监测术后恢复。这些超声波设备还能将诊断和监测工具带到医院以外的偏远地区，使中低收入国家更容易获得并负担得起医学成像。随着技术的不断完善，研究人员预计它将能够融入个人的日常生活，用于管理高血压等慢性疾病，或用于心力衰竭、腹主动脉瘤和深静脉血栓的早期检测。
对多个器官系统进行长时间连续同时成像，也为我们深入了解复杂生理和病理过程提供了机会。由其获得的数据和洞察，可大大拓宽我们对人体生物学和生理学的系统性认识。
可穿戴超声波传感技术商业化七步走
可穿戴超声波传感技术已经克服了一些关键技术挑战，但未来还有更多挑战需要应对。这些挑战包括改进设备的耐用性、灵活性以及准确性，还需要延长电池寿命，并使其佩戴起来更舒适。
微型化。美国Butterfly Network公司在超声波传感技术微型化方面取得了重大进展。该公司为其Butterfly iQ设备打造了一个基于芯上超声换能器的紧凑型平台，这是一种用于诊所的小型手持超声成像设备，于2017年获得美国食品药品管理局（FDA）的批准。尽管Butterfly iQ并非无线或完全可穿戴的，但它证明了小型化超声设备也能实现高质量成像。
此外，超声波贴片系统（USoP）技术的最新进展还促成了全集成系统的开发，可将超声探头与微型无线控制电子元件以柔性、可穿戴的形式整合在一起。
尽管USoP技术还不能提供高质量的成像，但它可以连续跟踪深层组织的生理信号，并可以无线操作。这些技术的下一步是将临床质量的超声成像能力，与完全集成的无线可穿戴超声波设备相结合。
皮肤接触。为了有效地发射和接收超声波，超声探头需要与皮肤保持良好的接触。在临床中，超声技师通常使用液体凝胶来填充探头与皮肤之间的缝隙，但在可穿戴设备应用中，凝胶很难保持，很快会流掉。
已有研究小组将超声探头制成可拉伸探头，以适应皮肤的弯曲表面，而无需液体凝胶。然而，可拉伸超声探头面临着一个固有挑战：高质量成像需要精确掌握超声探头中换能器的位置，可拉伸超声探头可能会显著影响其成像性能。
麻省理工学院研究团队开发了一种生物粘附超声技术，它采用一种薄而刚性的超声探头，探头与皮肤之间有一层特殊的“耦合剂”，耦合剂由水凝胶-弹性体混合体制成，柔软而坚韧，具有抗脱水和生物粘附性。这为探头和皮肤之间提供了稳健的柔性接触，为高质量成像保持了良好的声学界面。
方向性。另一个重要挑战是确保超声探头在佩戴者运动时仍能准确无误地指向体内。麻省理工学院研究团队一直在努力使其生物粘附耦合剂可调，以便对声波的方向进行微调。目前，这需要临床医生进行初始手动调整，以确保超声探头正确对准。
实际上，在慢跑和步行等典型活动中，这种生物粘附超声波贴片一般都能很好地保持其方向。但是，当受到更剧烈的运动时，如睡觉时翻身或受到碰撞，它们就可能需要重新调整了。
数据分析。人工智能（AI）可以帮助数据分析，对生成的图像进行解读，然后提醒临床医生甚至用户注意潜在的问题和健康隐患。人工智能辅助数据分析已在临床环境中用于解读诊断数据，包括超声波图像和X光片。然而，这些系统在可穿戴超声波设备中面临着新的挑战，因为用户的运动会给数据带来额外的噪声和变化。
麻省理工学院研究团队正在研究神经网络和生成式人工智能模型，以提高图像清晰度并减少误报。研究人员还在开发先进的人工智能算法，以过滤运动伪影，提高连续监测的准确性，确保只有重大健康问题才会被标记出来，以作进一步检查。
数据传输。确保数据隐私，以及开发能够处理连续成像大数据流的无线通信协议至关重要。虽然目前的系统可以处理间歇数据采样，但连续数据传输仍是一个障碍。
主要挑战包括开发安全高效的数据压缩方法，同时确保实时传输而不侵害患者隐私。研究人员已经取得一定进展，但需要进一步的研究和开发，以提高带宽效率，并确保采用可靠的加密方法来保护患者数据。
解读。科学家、工程师、临床医生和监管机构之间的合作已经在进行，这对于充分发挥可穿戴超声波传感技术的潜力至关重要。与科技创新厂商的合作，持续推动着电池和传感器等组件的进步，与数据科学家的合作正在完善操作指引和数据分析所需的算法。
在推进可穿戴超声传感技术的过程中，持续的严格研究、临床试验和患者反馈至关重要。这些合作构建了一个可以开发并实施创新解决方案的有利环境，从而充分发挥可穿戴超声波系统的巨大潜力。
监管。传统超声波设备有明确的监管途径，为可穿戴超声波设备建立类似的监管途径，将加速其安全有效地融入临床实践。目前，美国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测标准、确保数据隐私和无线传输安全，以防止未经授权访问敏感信息。解决这些监管漏洞，对于确保可穿戴超声波设备在临床环境中的安全性和有效性至关重要。
克服上述挑战并实现这些目标，是将可穿戴超声波设备从极具前景的原型产品，转变为个性化医疗工具的关键。最终，可穿戴超声波设备的广泛应用不仅将改变我们监测慢性疾病的方式，还将帮助我们更深入的实时了解人体的运作状态。
延伸阅读：
上一篇：超声超构换能器的蓬勃发展
下一篇：用于光声成像的双频透明CMUT阵列