可穿戴心脏超声波成像器件具有柔性，十分适用于监测运动中的人体

一种可监测心脏的可穿戴超声波成像器件只有一枚邮票那么大，能穿戴在身上，最长达到24小时，甚至在使用者锻炼时都能继续监测。这种装置有朝一日可以帮助医生发现一些当前的医学技术可能遗漏的心脏疾病，这是一项新研究的发现。

心脏疾病是老年人的头号死因，由于不健康的饮食和其他因素，它在较为年轻的人群中也越来越变成一个问题。心脏疾病的征象常常转瞬即逝，不可预知，所以长期心脏成像也许有助于发现心脏异常情况，用其他技术的话，那些异常情况很可能逃过侦测。

譬如说，心脏衰竭病人也许有时看起来没事，像在静静休息。该研究的共同第一作者胡鸿杰说：“心脏牺牲自身的效率，以便维持相同的心输出量。锻炼时，运动将心脏逼向极限，这可能让心脏效率的缺乏变得明显起来。”他是加州大学圣迭戈分校的一位纳米工程师。

此外，心脏能够从它在锻炼中可能经历的问题中迅速地恢复过来。这意味着，医生可能无法察觉这些问题，因为心脏成像按照惯例会在锻炼后进行，而不是在锻炼中进行。

然而，心脏成像技术常常在它们能够分析心脏的时刻方面有所局限，这主要是由于设备的庞大尺寸。“传统的心脏超声波成像设备评估高强度运动前后的心脏影像，医生手持超声波探头，扫过患者前胸，而患者在此过程中要维持稳定的姿势，而这不可能做到。”胡鸿杰说道。此前的可穿戴心脏传感器仅能在皮肤上捕捉信号。

如今，科学家已经研发出一种可穿戴超声波器件，使得安全、连续、实时、长期、细节丰富的心脏成像成为可能。

“潜在的应用包括在日常生活中、锻炼时、外科手术中以及其他场景下对心脏的连续监测。”研究的共同作者吴锐（Ray Wu，音译）说道，他也是加州大学圣迭戈分校的一位纳米工程师，“这将会打开机会之窗，未来有可能侦测出此前发现不了的疾病症状，在极早期就被识别出，极大地改善患者的治疗结果。”

科学家发明出的新器件为1.9厘米宽，2.2厘米长，仅有0.9毫米厚，使用压电换能器来发送和接收超声波，旨在生成源源不断、能反映出结构和功能情况的心脏图像。甚至在佩戴者骑着一辆固定自行车锻炼时，研究者都能获取这样的图像。在连续24小时的佩戴后，也没有出现皮肤刺激或过敏的情况。

“最激动人心的结果是，我们的贴片器件在个体移动时仍然表现良好，”胡鸿杰说，“这些贴片器件使得我们能评估锻炼时的心脏表现，提供心脏处在高度压力下的宝贵信息。”

可穿戴超声波传感器大约与一枚邮票一般大，能佩戴最多24小时，甚至在锻炼时也能用

新的贴片和人类皮肤一样柔韧。它能延伸到自身尺寸的110%，这意味着它能经受比人类皮肤一般受到的张力远远更强的张力。这些特征有助于贴片紧贴在人体上，这是一件常用的心脏成像刚性装置不可能做到的事。

“可穿戴成像器件移除了传统成像设备的很多笨重的地方，能黏附在身体上。”吴锐说道，“这使得心脏能以过去不可能实现的方式成像，在一些以前做不到的场景下成像，同时解放医生的双手，使得医生不必连续不断地操作传统的超声波探头。”

在新的研究中，研究者关注于如何让左心室成像。左心室是心脏的4个腔室中最大的一个，并且被认为对于心血管健康有着最重要的作用，因为它负责将含氧血泵到全身各处。心脏成像一般聚焦于左心室，但新器件能同时对心脏的所有4个腔室成像，所以未来的研究可以聚焦于其他腔室或多个腔室。此外，成像器件能用来生成许多其他器官的图像，譬如胃、肾脏或肝脏。

传统心脏超声波成像技术不断旋转一个超声波探头，从多个维度来分析心脏。为了消除这种旋转的需要，新器件中的超声波传感器和发射器阵列的形状像个十字，那么超声波能以正确的角度行进到彼此那边。

科学家开发出一种定制的深度学习人工智能模型，它能分析来自贴片的数据，自动且不断地估量生命征象的详细数据，譬如伴随每一下心跳从左心室被泵出的血液比例，伴随每一下心跳和每一分钟内整个心脏泵出的血液量。研究者指出，大多数心脏问题的根源在于心脏无法泵出足够的血液，这些问题常常只在身体运动时显现。

科学家直到研发出可穿戴超声波器件之后，才开始研究心脏成像技术。

“我们在一次聊天中获知，一位同事的亲戚不久前死于突然的心脏病发作，我们这才意识到，我们的技术能给大家的生命带来真正的影响。”研究的共同第一作者、加州大学圣迭戈分校的纳米工程师黄皓（Hao Huang，音译）说道，“我们没有期望成像器件的成像质量会十分高。然而，结果我们发现，在用新的工程调试后，我们能实现可与商用探头相媲美的成像质量。当看到在多轮改善后的充满细节的图像，我们知道抓住了一个重磅研究项目，我们认为应该继续这个研究方向，不要浪费了成像器件的能力。”

黄皓回忆说：“一开始他们总是花很大力气才让超声波束聚焦。找出问题所在基于读数的大量试错。在许多次失败后，我们使用一种自动化校正策略来让换能器阵列拥有高度一致性和完美校准，那么就能保证超声波束的聚焦。另一些问题涉及信号中的噪声。我们进行许多次试错，确定所有噪声来源，让成像器件隔绝所有噪声来源，但这样仍然留有最主要的噪声源，也就是人类的身体。”他们最终研发出可拉伸的电磁屏蔽体，使用的液态金属正是用于器件电极的那类金属，旨在“除去来自人类身体的噪声，同时保持成像器件的柔性和可延伸性”。事实证明，优化后的屏蔽层运作得十分好，最终能除去那些图像中的噪声。

研究者指出，目前器件通过线缆连接电脑。他们已经开发出无线版本的贴片器件，正在接受评议的一个研究将有更多无线器件的细节。

该研究的项目负责人、加州大学圣迭戈分校教授徐升打算通过Softsonics公司来将这项技术予以商品化。徐升是Softsonics公司的创始人之一。胡鸿杰说，需要有进一步工作才能把这个器件开发为一个完整的、拥有内置电源的可穿戴系统。

资料来源 IEEE Spectrum