心血管疾病通常與心臟泵送能力的變化有關(guān)，心臟成像技術(shù)可以將這些變化檢測(cè)出來。

因此，無創(chuàng)的、連續(xù)的心臟成像對(duì)心血管疾病的早期檢測(cè)和監(jiān)測(cè)很有價(jià)值。

現(xiàn)有的評(píng)估心臟功能的方法能夠進(jìn)行成像或連續(xù)測(cè)量，但不能同時(shí)進(jìn)行。

非成像方法所包含的信息比圖像少，但成像方法只能捕捉到瞬時(shí)照片，并需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員來操作探頭。

此外，現(xiàn)有成像方式涉及繁瑣的儀器，不能對(duì)正在運(yùn)動(dòng)的人的心臟進(jìn)行成像。

鑒于一些疾病相關(guān)的反應(yīng)只在運(yùn)動(dòng)引起的壓力下出現(xiàn)，這是一個(gè)重要的限制。

此外，目前從心臟成像中得到的任何定量測(cè)量必須由心臟病專家手動(dòng)分析，這個(gè)過程是艱巨的、漫長(zhǎng)的，并受到觀察者之間差異的影響。

鑒于此，加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升教授報(bào)告了一種用于連續(xù)、實(shí)時(shí)和直接心臟功能評(píng)估的可穿戴超聲貼片。

研究人員引入了設(shè)計(jì)和材料制造方面的創(chuàng)新，改善了貼片與人體皮膚之間的機(jī)械耦合，允許在運(yùn)動(dòng)過程中從不同的角度檢查左心室

同時(shí)還開發(fā)了一種深度學(xué)習(xí)模型，可以從連續(xù)的圖像記錄中，自動(dòng)提取左心室容積，生成每搏輸出量、心輸出量和射血分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵心臟性能指標(biāo)的波形。

該技術(shù)能夠在各種環(huán)境中以顯著提高的準(zhǔn)確性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)心臟功能。相關(guān)研究成果以“A wearable cardiac ultrasound imager”為題發(fā)表在最新一期Nature上。



該系統(tǒng)通過一個(gè)像人類皮膚一樣柔軟的可穿戴貼片收集信息，其設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)最佳的粘附性。

由于具有與皮膚相似的彈性，因此對(duì)用戶的日常活動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的限制。該貼片尺寸為1.9 cm（L） x 2.2 cm（W） x 0.09 cm（T），大約是一張郵票的大小。

該貼片由兩個(gè)線性陣列的超聲換能器組成，呈十字形排列，可以從兩個(gè)正交視圖成像，而不需要重新定位。

超聲貼片中的密集元素提供了與商業(yè)成像儀類似的成像質(zhì)量。該超聲貼片柔軟且可拉伸，即使在運(yùn)動(dòng)過程中也能很好地附著在人體皮膚上。

該系統(tǒng)可以使用超聲在獨(dú)立的雙平面視圖中檢查心臟的左心室，產(chǎn)生比以前更有用的臨床圖像。

作為一個(gè)使用案例，該團(tuán)隊(duì)展示了運(yùn)動(dòng)中的心臟成像。心臟的性能由三個(gè)因素來描述：每搏輸出量（心臟每次搏動(dòng)泵出的血液量）、射血分?jǐn)?shù)（每搏輸出量占心室舒張末期容積量的百分比）和心輸出量（心臟每分鐘泵出的血量）。

圖1 可穿戴心臟超聲成像貼片的設(shè)計(jì)和表征

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種算法，以促進(jìn)連續(xù)的、由人工智能輔助的自動(dòng)處理。具體來說，人工智能部分涉及一個(gè)用于圖像分割的深度學(xué)習(xí)模型，一個(gè)用于計(jì)算心臟容積的算法，以及一個(gè)數(shù)據(jù)歸納算法。研究人員使用這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，根據(jù)左心室分割的形狀和面積來計(jì)算心臟體積。

成像-分割深度學(xué)習(xí)模型是第一個(gè)在可穿戴超聲設(shè)備中功能化的模型。它使設(shè)備能夠在不同的作息狀態(tài)下，包括靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)后，提供準(zhǔn)確和連續(xù)的關(guān)鍵心臟指數(shù)的波形，這在以前是從未實(shí)現(xiàn)過的。因此，這項(xiàng)技術(shù)可以連續(xù)和無創(chuàng)地生成這三個(gè)指數(shù)的曲線。

可穿戴心臟超聲成像貼片在不同作息狀態(tài)下對(duì)關(guān)鍵心臟指數(shù)的監(jiān)測(cè)

為了生產(chǎn)可穿戴設(shè)備本身，研究人員使用了與Ag-環(huán)氧樹脂背襯粘合的壓電1-3復(fù)合材料作為超聲成像貼片中換能器的材料，比以前的方法減少了風(fēng)險(xiǎn)，提高了效率。在選擇換能器陣列的傳輸配置時(shí)，通過寬波束復(fù)合傳輸取得了卓越的效果。研究人員還從九個(gè)流行的模型中選擇了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像分割，取得了最高的準(zhǔn)確性。在目前的迭代中，貼片通過電纜連接到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)可以在貼片還在的時(shí)候自動(dòng)下載數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為貼片開發(fā)了一個(gè)無線電路，這將在即將出版的出版物中介紹。

圖2超聲心動(dòng)圖的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)視圖

圖3可穿戴心臟超聲成像貼片對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心臟功能的監(jiān)測(cè)

圖4通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行自動(dòng)圖像處理

總體而言，可穿戴式超聲成像貼片為提高診斷的準(zhǔn)確性和病人的體驗(yàn)提供了許多可能性?？纱┐魇匠暭夹g(shù)為深層組織傳感開辟了新的空間。除了獲得視頻圖像，研究人員還使用深度學(xué)習(xí)來評(píng)估和解釋圖像?；谫N片的換能器在運(yùn)動(dòng)或壓力測(cè)試中的應(yīng)用特別有趣，這樣的設(shè)備在臨床上是有用的，甚至?xí)淖儗?shí)踐。

目前的可穿戴成像貼片并不完美，研究人員必須提高其空間分辨率，尤其是在高程方向上的分辨率。為了使設(shè)備適應(yīng)不同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)曲面，需要通過先進(jìn)的成像算法或幾何傳感技術(shù)來優(yōu)化由換能器陣列變形引起的失真信號(hào)的補(bǔ)償。此外，應(yīng)該推廣深度學(xué)習(xí)模型，使其適用于更大的人群。

審核編輯：劉清