Nature：潜力巨大的可穿戴超声成像设备

2024-07-22 00:07

medical advances from the lab to the clinic

Bringing medical advances from the lab to the clinic

关键词：可穿戴超声波成像；实时生理监测；健康护理；医学成像技术；Nature

传统的临床超声波成像设备需要经过专业培训的医师操作，且通常限于医院和诊所使用。这些设备不便于移动，且无法实现连续监测。为了解决这些问题，研究者们开始探索将超声波成像技术与可穿戴设备结合的可能性，以实现全身体、连续的可穿戴超声波监测。

现代可穿戴设备，如Fitbit和Apple Watch，不仅能够追踪日常活动量、监测心率，甚至能够执行曾经需要专业医疗环境支持的心电图检查。这些设备通过提供易于理解的生物指标数据，鼓励人们采取更健康的生活方式。此外，可穿戴式血糖监测器已经为糖尿病患者提供了持续的血糖读数，减少了频繁的针刺需求。

特别是超声波成像，它基于声纳的原理，通过发送高频声波进入身体并从内部结构反射回来，产生实时的动态过程图像，如心脏跳动或血液流动。

本研究正是基于这样的技术进步和需求，来自麻省理工学院的 Xuanhe Zhao 研究团队在国际著名期刊 Nature 上发表评论文章，题目为 See how your body works in real time — wearable ultrasound is on its way 【1】。

本文展示了可穿戴超声波成像技术的潜力和未来发展方向；
同时指出了实现这一技术在5-10年内普及所面临的七个关键障碍，并提出了相应的解决方案。
由此，本文为读者描绘了一个更加智能化、个性化的医疗健康监测领域的蓝图。

（如需原文，请加微信healsana获取，备注20240626Nature）

主要研究结果

🔷 可穿戴超声波成像设备的开发：

Zhao 研究团队开发了一种小型化的可穿戴超声波设备，该设备将仅几厘米长的超声波贴纸，通过生物粘附剂附着在皮肤上，并与口袋大小的电池和数据传输系统相连，能够无线传输临床级别的数据到平板或智能手机。

虽然设备目前仍处于起步阶段，但可以提供连续的、高质量的深层组织图像，能够实时监测心脏瓣膜的跳动、肌肉的活动、横膈膜的升降以及动脉中血液的流动。目前，电池寿命允许间歇性拍摄时长 1min 的视频：在几天内每小时多次。作者预计在未来几年内能够将该设备推动到临床阶段。

图1. 一种使用生物粘合剂附着在皮肤上的可穿戴超声设备

图2. 可穿戴超声成像

🔷 技术优势与潜在应用：

与传统的超声波成像设备相比，这种新型设备具有更高的便携性和连续监测能力，适用于医院、诊所以及个人日常生活中的健康监测，有助于实现预防性护理和主动健康管理。

图3. 医生们将超声设备运送到中国云南省的一个偏远村庄

🔷 进入市场将要面临的七大技术挑战与解决方案：

文章指出了可穿戴超声波设备在推向市场前需要克服的七个关键障碍，包括设备的小型化、皮肤连接、方向性、数据分析、数据传输、技术转换和监管问题，并提出了相应的解决策略。

小型化（Miniaturization）：需要将超声波成像设备小型化，使其足够紧凑，便于穿戴。Butterfly Network公司已经在超声波芯片技术方面取得了进展，开发了小型手持超声波设备Butterfly iQ。
皮肤连接（Skin connection）：超声波探头需要与皮肤保持良好的接触以有效传输和接收声波。研究团队正在开发生物粘附性超声波设备，使用特殊的耦合层材料确保与皮肤的稳定连接。
方向性（Directionality）：确保超声波探头在佩戴者移动时始终指向体内正确的方向。这可能需要初始的手动调整，以确保探头正确对准。
数据分析（Data analysis）：利用人工智能（AI）技术辅助分析产生的图像，并在发现潜在问题或健康问题时提醒临床医生或用户。需要开发高级AI算法来提高图像清晰度并减少误报。
数据传输（Data transmission）：确保数据隐私并开发稳健的无线通信协议，以处理连续成像产生的大量数据流。需要开发安全高效的数据压缩方法，并确保实时传输不泄露患者隐私。
技术转换（Translation）：科学家、工程师、临床医生和监管机构之间的合作对于实现可穿戴超声波技术的全面潜力至关重要。需要与技术创新者合作，推动如电池和传感器等组件的进步，并与数据科学家合作，改进操作指导和数据分析所需的算法。
监管（Regulation）：为可穿戴超声波设备建立清晰的监管路径，确保其安全有效地整合到临床实践中。FDA和其他监管机构正在努力调整现有法规，以适应可穿戴技术的独特性，包括为连续监测制定标准、确保数据隐私和安全无线传输。

编者按：

临床意义和科研启发：

本研究开发的可穿戴超声波成像技术，能够实现对人体内部器官的实时、连续监测，为高风险患者提供持续的健康状况跟踪，如监测高危妊娠中的胎儿健康、手术后恢复情况，以及管理慢性疾病如高血压等。

这不仅能够提升患者的健康管理质量，还有助于早期发现和干预潜在的健康问题，从而减少医疗成本并提高治疗成功率。

可穿戴超声波技术的发展推动了跨学科的合作，促进了新型传感器、电池技术、人工智能算法以及无线通信协议的研究和创新。

此外，这项技术还为医学成像和生物医学研究提供了新的工具和方法，有助于深入理解复杂的生理和病理过程，推动个性化医疗和精准医疗的发展。

最终，随着技术的成熟和监管路径的明确，可穿戴超声波设备有望成为个人化医疗中不可或缺的工具，不仅改变我们监测和管理慢性疾病的方式，也将深化我们对人体生理学和病理学的理解。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/d41586-024-02066-5

声明：

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作者：Amber Wang；助理：ChatGPT

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美国Healsan Consulting(恒祥咨询)，专长于Healsan医学大数据分析（Healsan™）、及基于大数据的Hanson临床科研培训（HansonCR™）和医学编辑服务（MedEditing™）。主要为医生科学家、生物制药公司和医院科研处等提供分析和报告，成为诸多机构的“临床科研外挂”。