ADTE了解到，在第一篇文章中重点研究可穿戴超声的临床需求和探索，讲到实现可穿戴超声的技术瓶颈是柔性的、微型化的、与人体长时间贴附性好、可高分辨率成像的超声传感器的设计，可喜的是加州大学圣地亚哥分校徐升教授团队，以及麻省理工赵选贺教授团队和Canan Dagdeviren 团队等都在贴片式超声领域做了深入的研究，在Nature和Science上发表高水平的文章，接下来我们一起研究他们的研究成果，一览贴片式超声的发展。
01
加州大学圣地亚哥分校徐升教授团队
早在2018年，徐升团队就在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表论文“Monitoring of the central blood pressure waveform via a conformal ultrasonic device”，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、持续测量中心血压。
图片来源：WE超声
采用超声波进行中心血压测量原理
之后，徐升教授与加州大学圣地亚哥可穿戴传感器中心合作完成新颖的传感器贴片，第一个灵活、可伸缩的皮肤贴片，并结合了化学传感（葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因）和血压监测。该成果发表于2021年2月15日发表在Nature biomedical engineering期刊上。
图片来源：WE超声
该可穿戴设备类似一个 “创口贴”，可以贴在胸部、颈部等部位持续检测人体深层次的血管状况。
图片来源：WE超声
支持多参数和血压检测的超声贴片
图片来源：WE超声
超声贴片结构和功能展示
徐升教授团队精简了现有超声探头的结构，将原来 10 厘米厚的探头缩减 3 个数量级，最终厚度为 240 微米。阵元之间采用可拉伸导线连接，器件整体采用与皮肤柔软程度接近的柔性聚合物封装。通过转化，传统的超声探头变为一种高贴合度可拉伸的表皮电子器件，可穿戴性大大增强。
2023年1月25日，徐升教授团队又在 Nature 期刊发表了题为：A wearable cardiac ultrasound imager 的研究论文。研发了一款可穿戴心脏超声成像贴片。
图片来源：WE超声
研究显示，这种便携式心脏超声贴片仅邮票般大小，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。且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
于是，在2023年5月22日，徐升教授团队又在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects 的研究论文。
图片来源：WE超声
该研究开发了一种可以检测运动中生理数据的全集成自主可穿戴式超声系统贴片——USoP。该研究的一大突破便是将柔性可穿戴超声贴片式探头传感器的测量深度提升到了皮下 18 厘米水平，并以无创、连续、深层次监测为主要特点。
USoP将超声探头和微型无线控制电子器件集成在一个柔软的可穿戴设备上，超声探头使用微型压电晶体将电信号转换为超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号。控制电子器件包括多通道前端电路、后端处理单元和无线通讯模块，采用柔性材料制造，从而实现了USoP的柔性化和微型化设计。USoP可以跟踪移动目标并自动进行数据采集和处理，能实现对移动目标深部组织的长期监测。这项技术可以免去手持超声探头的要求，使得数据采集更加方便和自由。
图片来源：WE超声
自主无线可穿戴式超声系统贴片设计
全身范围深层组织信号监测，包括动脉搏动，心肌收缩，隔膜位移等
在运动的被试身上，USoP可以连续监测生理信号，包括中心血压、心率、心输出量、潮气量等。该技术是柔性超声传感技术从有线到无线，从人工操作到自主传感的一大革新。这一结果进一步推进了深层组织信号的持续监测和医疗物联网的发展。
02
麻省理工学院赵选贺教授团队
2022年7月28日，麻省理工学院赵选贺教授课题组在Science期刊发表了题为：Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs 的研究论文。
图片来源：WE超声
该研究展示了一款新颖独特的超声波贴片的设计——生物粘附超声（BAUS）探头，整个超声贴片的大小约为2平方厘米, 厚度约3毫米，大小相当于一张邮票的面积，可以贴在皮肤上，并能连续48小时提供内部器官的超声波成像。
图片来源：WE超声
BAUS 探头由一组高性能压电元件组成，中心频率为 3、7 或 10 MHz，每个元件都由BAUS 探头的顶部和底部电路控制。底部电路由优化的声匹配层覆盖，以增强对皮肤的声传输，顶部电路由优化的声背层覆盖以消除共振效应。BAUS 探头由一层环氧树脂密封，在长期应用中具有高稳定性和可靠性。
图片来源：WE超声
BAUS超声装置的设计和性能
图片来源：WE超声
BAUS超声装置对血管的长时间连续监测情况
BAUS超声装置对肺、隔膜、心脏和胃的长时间连续监测情况
ADTE观察到，本研究在健康志愿者身体的不同部位贴上超声成像贴片，展示了超声成像贴片详细的工作过程，监测了 BAUS 成像平台对人体器官进行48小时连续成像的能力，包括血管和心脏、肌肉和隔膜、胃和肺。研究者们观察到坐着和站着时主要血管直径的变化。这款超声贴片还能够捕捉到人体更深层次器官的具体细节。比如心脏在运动过程中如何改变形状，发现体育锻炼0.5小时后，左心室的大小大大增加，横膈膜运动在幅度和频率上更显著！当志愿者饮用450毫升果汁后，胃窦横截面积会逐渐减小。举重过后，利用超声成像技术可检测到肌肉具有暂时的微损伤。
2024年2月9日赵选贺教授和南加州大学周启发教授团队合作，在 Science 子刊 Science Advances 上发表了题为：Wearable bioadhesive ultrasound shear wave elastography 的研究论文。研究开发小型超声贴片——BAUS-E，可以贴在皮肤上，在48小时内持续监测大鼠的肝脏硬度变化，发现早期急性肝衰竭（ALF）的迹象。此外，这一技术平台还可以用于持续监测体内其他器官以及实体瘤的能力。
图片来源：WE超声
研究团队精确地制造了128个微型换能器，并将其集成到一个25毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部涂上一种由水凝胶制成的粘合剂，水凝胶允许超声波几乎毫无损耗地进入和离开设备。
研究团队在大鼠身上测试了这种超声贴片，结果显示，这一超声贴片可以在48小时内持续监测肝脏硬度变化，从贴片收集的数据中，能够观察到清晰的早期急性肝衰竭（ALF）的迹象，通过组织样本检测进一步证实了监测结果的准确性。
图片来源：WE超声
BAUS-E超声贴片的设计和硬度监测机制
03
麻省理工学院Canan Dagdeviren 团队
2023年11月16日麻省理工学院Canan Dagdeviren 团队在《Nature Electronics》发表“A conformable phased-array ultrasound patch for bladder volume monitoring” 用于膀胱容量监测的相控阵超声贴片论文。
用于膀胱残余尿量监测的相控阵贴片设计
研究显示了一种适形超声膀胱贴片(conformable ultrasound bladder patch, cUSB-Patch)，具有机械适应性，可以提供膀胱体积的实时体内监测。本研究开发了一种具有高压特性的 Sm/La 掺杂 PMN-PT 陶瓷材料，并用它来制造 64 阵元相控阵换能器，工作频率为 2–5 MHz。该贴片提供机械自适应和实时体内膀胱容量监测。为了避免手动旋转需要，cUSB-Patch 可以同时获取两个方向的图像。该设备可以对深度达 15 厘米的膀胱进行成像，轴向分辨率小于 0.6 毫米。理论和体外实验研究表明，具有五个此类阵列的 cUSB-Patch 可以在不同体模（平面和弯曲）上提供准确且可重复的成像，并且不需要涂抹超声凝胶。
从三个大咖团队的前沿学术研究，可以看到可穿戴超声贴片技术发展迅速，且与临床研究紧密结合，让我们看到未来超声贴片的在临床应用中落地的曙光。
ADTE了解到，超声贴片的革命性在于打破了超声成像设备仅可用于点式或短时的成像检查的局限，使超声成像设备可以长时间连续的对人体器官进行无创可视化的动态监测，将超声成像向超声成像监测领域发展。
看到这些技术的发展，您一定好奇超声贴片的商业化进展是怎样的呢？此将在下一章节展示。
文章转载来源： WE超声
若涉及侵权，请立刻联系删除
关键字：
电话：+86 21 6157 7217
邮箱：Linc.Cai@informa.com