Nature：徐升團隊開發(fā)可穿戴設(shè)備，僅郵票大小，貼在胸前即可實時監(jiān)測心臟，應(yīng)用前景巨大

作者|王聰 來源|生物世界(ID：ibioworld)

心臟功能連續(xù)成像，對于長期心血管健康評估、急性心功能不全檢測以及危重患者或外科患者的臨床管理非常有價值。然而，傳統(tǒng)的非侵入性心臟功能成像方法，例如超聲心動圖，需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員和笨重的設(shè)備進行，而且無法提供連續(xù)測量。而現(xiàn)有的可穿戴心臟檢測設(shè)備只能捕獲來自皮膚的信號。

2023年1月25日，加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升團隊（第一作者為胡鴻杰博士）在 Nature 期刊發(fā)表了題為：A wearable cardiac ultrasound imager 的研究論文。

研究團隊開發(fā)了一款可穿戴超聲貼片設(shè)備，能夠在多種環(huán)境下對心臟進行連續(xù)、實時和直接的動態(tài)監(jiān)測，并大大提高了準確性。

這種便攜式設(shè)備僅郵票般大小，可以24小時佩戴，即使在劇烈運動時也能正常工作。研究團隊還開發(fā)了一個人工智能算法，從連續(xù)監(jiān)測模型中自動提取左心室容積，生成關(guān)鍵心臟功能指標。

研究團隊表示，這項技術(shù)的意義遠遠超出了心臟成像，它還可以推廣到其他深層組織的成像，例如下腔靜脈、腹主動脈、脊柱和肝臟等等。

徐升

徐升，2006年本科畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院，2011年在佐治亞理工學(xué)院獲得材料科學(xué)與工程專業(yè)博士學(xué)位，此后在伊利諾伊大學(xué)香檳分校從事博士后研究工作，2015年，徐升加入加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD），現(xiàn)為加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程副教授。

徐升實驗室涉及多個研究方向，包括可穿戴電子設(shè)備、細胞接口和功能性材料，總的來說，就是通過制造新材料和制造技術(shù)來開發(fā)用于解決生物醫(yī)學(xué)問題的柔性電子設(shè)備。

徐升實驗室研究方向

在這項最新研究中，徐升團隊開發(fā)了一款可穿戴超聲貼片設(shè)備，這種便攜式設(shè)備尺寸為1.9厘米×2.2厘米×0.09厘米，僅郵票般大小，由壓電換能器陣列、液態(tài)金屬復(fù)合電極和三嵌段共聚物封裝而成。整個設(shè)備柔軟且具有彈性，即使在運動過程中也能很好地貼合人體皮膚。

徐升教授表示，現(xiàn)在對心臟進行超聲波檢查的超聲心動圖，需要有專業(yè)人員借助笨重的專業(yè)設(shè)備才能完成，而這項研究能夠讓任何人都是隨時隨地使用超聲波進行心臟功能監(jiān)測。

心臟成像是評估心臟長期健康、發(fā)現(xiàn)問題和護理危重患者的重要臨床工具。基于研究團隊此前開發(fā)的深層組織可穿戴成像技術(shù)，結(jié)合設(shè)備設(shè)計和材料制造上的創(chuàng)新，以及定制的人工智能算法，這款新型可穿戴、非侵入性心臟超聲監(jiān)測設(shè)備可以實時、自動監(jiān)測難以捕捉的心臟泵血情況，即使在劇烈運動時也可以正常工作。而心臟供血不足是大多數(shù)心血管疾病的根源，這些心臟功能問題通常只在運動時才表現(xiàn)出來。

在運動中監(jiān)測心臟功能

該設(shè)備使用超聲波連續(xù)捕捉心臟四個腔室不同角度的圖像，并使用定制的人工智能算法實時分析圖像的臨床相關(guān)子集，包括分析心臟的每搏輸出量（心臟每次搏動泵出的血液量）、射血分數(shù)（每次搏動從心臟左心室泵出的血液百分比）和心輸出量（心臟左心室或右心室每分鐘泵出的血液量）。

徐升教授表示，這款設(shè)備能夠為患者和醫(yī)生提供更全面的細節(jié)，持續(xù)和實時的心臟圖像監(jiān)測，將從根本上優(yōu)化和重塑心臟診斷的范式。

基于人工智能算法自動處理監(jiān)測圖像

相比之下，現(xiàn)有的非侵入性監(jiān)測方法取樣能力有限，提供的數(shù)據(jù)也有限。而這款可穿戴、非侵入性心臟超聲監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)安全、無創(chuàng)和高質(zhì)量的心臟成像，產(chǎn)生具有高空間分辨率、時間分辨率和高對比度的圖像。而且該設(shè)備尺寸小巧，能夠最大限度地減少患者的不適感，可以貼在胸前皮膚上，幾乎不會限制患者的運動，甚至可以紀錄運動前、運動中和運動后的心臟活動。該設(shè)備還克服了CT和PET等非侵入性技術(shù)的一些局限性（這些技術(shù)需要將患者暴露在輻射中）。

論文第一作者胡宏杰博士

最后，研究團隊表示，這項技術(shù)的意義遠遠超出了心臟成像，因為它還可以推廣到其他深層組織的成像，例如下腔靜脈、腹主動脈、脊柱和肝臟等等。

早在2018年，徐升團隊就在 Nature Biomedical Engineering 期刊發(fā)表論文【2】，開發(fā)了一款柔性貼片設(shè)備，該設(shè)備可以通過超聲波脈沖實時、持續(xù)測量血壓。

基于這項研究成果，徐升和工程師相舒聯(lián)合創(chuàng)立一家名為 Softsonics 的公司，該公司正在開發(fā)可以貼在頸動脈或頸靜脈上方皮膚上的貼片設(shè)備，用于監(jiān)測血壓。這篇發(fā)表在 Nature 的研究成果，也將繼續(xù)在 Softsonics 公司進行商業(yè)化開發(fā)。

2022年7月，麻省理工學(xué)院趙選賀教授團隊在 Science 期刊發(fā)表了一篇題為：Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs 的研究論文【3】。

該研究展示了一款新穎獨特的設(shè)備，這款郵票般大小的設(shè)備可以貼在皮膚上，并能連續(xù)48小時提供體內(nèi)器官的超聲波成像。

值得一提的是，徐升團隊2018年的這篇 Nature Biomedical Engineering 論文和趙選賀團隊2022年的這篇 Science 論文的第一作者是同一個人——王沖和。

論文鏈接：

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

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰