运动对象无线超声监测的巨大飞跃

加州大学圣地亚哥分校的一个工程师团队开发了第一个完全集成的可穿戴超声系统，用于深层组织监测，包括用于移动受试者。它有助于潜在挽救生命的心血管监测，标志着世界领先的可穿戴超声实验室之一的重大突破。这篇题为“用于监测运动对象的深部组织的完全集成的可穿戴超声系统”的论文发表在 22 年 2023 月 <> 日的《自然生物技术》上。

“这个项目为可穿戴超声技术提供了一个完整的解决方案 - 不仅可穿戴传感器，而且控制电子设备都是以可穿戴形式制造的，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程系博士候选人，该研究的第一作者Muyang Lin说。“我们制造了一种真正的可穿戴设备，可以无线感知深层组织生命体征。

这项研究来自加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的通讯作者Sheng Xu的实验室。

这种完全集成的自主可穿戴超声贴片系统(USoP)建立在实验室之前在软超声传感器设计方面的工作之上。然而，以前的软超声波传感器都需要系留电缆进行数据和电力传输，这在很大程度上限制了用户的移动性。在这项工作中，它包括一个小型灵活的控制电路，该电路与超声换能器阵列通信以无线收集和传输数据。机器学习组件有助于解释数据并跟踪运动中的受试者。

根据实验室的发现，超声波贴片系统允许连续跟踪来自深达164毫米组织的生理信号，连续测量中心血压，心率，心输出量和其他生理信号，一次长达<>小时。

“这项技术在拯救和改善生命方面有很大的潜力，”林说。“传感器可以评估运动中的心血管功能。静息或运动期间血压和心输出量的异常值是心力衰竭的标志。对于健康人群，我们的设备可以实时测量心血管对运动的反应，从而深入了解每个人的实际锻炼强度，从而指导制定个性化的训练计划。

USoP还代表了医疗物联网(IoMT)发展的突破，IoMT是连接到互联网的医疗设备网络的术语，将生理信号无线传输到云中进行计算，分析和专业诊断。

由于技术进步和临床医生在过去几十年的辛勤工作，超声一直受到关注，徐实验室经常在第一时间被提及为该领域的早期和持久的领导者，特别是在可穿戴超声领域。该实验室采用了固定和便携式设备，使其可拉伸和可穿戴，从而推动了整个医疗保健监测领域的转型。它的优势部分取决于与临床医生的密切合作。“虽然我们是工程师，但我们确实知道临床医生面临的医疗问题，”林说。“我们与临床合作者有着密切的关系，并始终从他们那里获得宝贵的反馈。这种新的可穿戴超声技术是解决临床实践中许多生命体征监测挑战的独特解决方案。

在开发最新创新时，该团队惊讶地发现它的功能比最初预期的要多。

“在这个项目的一开始，我们的目标是建立一个无线血压传感器，”Lin说，“后来，当我们制作电路，设计算法和收集临床见解时，我们认为这个系统可以测量比血压更关键的生理参数，如心输出量，动脉硬度，呼气量等等， 所有这些都是日常医疗保健或院内监测的基本参数。

而且，当受试者处于运动状态时，可穿戴超声波传感器与组织目标之间会有相对运动，这将需要频繁手动重新调整可穿戴超声波传感器以跟踪移动目标。在这项工作中，该团队开发了一种机器学习算法来自动分析接收到的信号，并选择最合适的通道来跟踪移动目标。

但是，当使用一个受试者的数据训练算法时，该学习可能无法转移到其他科目，从而使结果不一致且不可靠。

“我们最终通过应用先进的适应算法使机器学习模型泛化工作，”加州大学圣地亚哥分校计算机科学与工程系硕士生，该论文的共同第一作者Ziyang Zhang说。“该算法可以自动最小化不同主体之间的域分布差异，这意味着机器智能可以从主体转移到主体。我们可以在一个主题上训练算法，并以最少的再训练将其应用于许多其他新主题。

展望未来，该传感器将在更大的人群中进行测试。“到目前为止，我们只在一个小而多样化的人群中验证了设备性能，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程系博士后学者，该研究的共同第一作者Xiaoxiang Gao说。“当我们设想该设备作为下一代深层组织监测设备时，临床试验是我们的下一步。

Xu是Softsonics，LLC的联合创始人，该公司计划将该技术商业化。