新型可穿戴式心臟成像儀有望開啟心臟診斷新范式

一種可監測心臟的可穿戴超聲波成像器件只有一枚郵票那么大，能穿戴在身上，最長達到24小時，甚至在使用者鍛煉時都能繼續監測。這種裝置有朝一日可以幫助醫生發現一些當前的醫學技術可能遺漏的心臟疾病，這是一項新研究的發現。

心臟疾病是老年人的頭號死因，由于不健康的飲食和其他因素，它在較為年輕的人群中也越來越變成一個問題。心臟疾病的征象常常轉瞬即逝，不可預知，所以長期心臟成像也許有助于發現心臟異常情況，用其他技術的話，那些異常情況很可能逃過偵測。

譬如說，心臟衰竭病人也許有時看起來沒事，像在靜靜休息。該研究的共同第一作者胡鴻杰說：“心臟犧牲自身的效率，以便維持相同的心輸出量。鍛煉時，運動將心臟逼向極限，這可能讓心臟效率的缺乏變得明顯起來。”他是加州大學圣迭戈分校的一位納米工程師。

此外，心臟能夠從它在鍛煉中可能經歷的問題中迅速地恢復過來。這意味著，醫生可能無法察覺這些問題，因為心臟成像按照慣例會在鍛煉后進行，而不是在鍛煉中進行。

然而，心臟成像技術常常在它們能夠分析心臟的時刻方面有所局限，這主要是由于設備的龐大尺寸。“傳統的心臟超聲波成像設備評估高強度運動前后的心臟影像，醫生手持超聲波探頭，掃過患者前胸，而患者在此過程中要維持穩定的姿勢，而這不可能做到。”胡鴻杰說道。此前的可穿戴心臟傳感器僅能在皮膚上捕捉信號。

如今，科學家已經研發出一種可穿戴超聲波器件，使得安全、連續、實時、長期、細節豐富的心臟成像成為可能。

“潛在的應用包括在日常生活中、鍛煉時、外科手術中以及其他場景下對心臟的連續監測。”研究的共同作者吳銳（Ray Wu，音譯）說道，他也是加州大學圣迭戈分校的一位納米工程師，“這將會打開機會之窗，未來有可能偵測出此前發現不了的疾病癥狀，在極早期就被識別出，極大地改善患者的治療結果。”

科學家發明出的新器件為1.9厘米寬，2.2厘米長，僅有0.9毫米厚，使用壓電換能器來發送和接收超聲波，旨在生成源源不斷、能反映出結構和功能情況的心臟圖像。甚至在佩戴者騎著一輛固定自行車鍛煉時，研究者都能獲取這樣的圖像。在連續24小時的佩戴后，也沒有出現皮膚刺激或過敏的情況。

“最激動人心的結果是，我們的貼片器件在個體移動時仍然表現良好，”胡鴻杰說，“這些貼片器件使得我們能評估鍛煉時的心臟表現，提供心臟處在高度壓力下的寶貴信息。”

新的貼片和人類皮膚一樣柔韌。它能延伸到自身尺寸的110%，這意味著它能經受比人類皮膚一般受到的張力遠遠更強的張力。這些特征有助于貼片緊貼在人體上，這是一件常用的心臟成像剛性裝置不可能做到的事。

“可穿戴成像器件移除了傳統成像設備的很多笨重的地方，能黏附在身體上。”吳銳說道，“這使得心臟能以過去不可能實現的方式成像，在一些以前做不到的場景下成像，同時解放醫生的雙手，使得醫生不必連續不斷地操作傳統的超聲波探頭。”

在新的研究中，研究者關注于如何讓左心室成像。左心室是心臟的4個腔室中最大的一個，并且被認為對于心血管健康有著最重要的作用，因為它負責將含氧血泵到全身各處。心臟成像一般聚焦于左心室，但新器件能同時對心臟的所有4個腔室成像，所以未來的研究可以聚焦于其他腔室或多個腔室。此外，成像器件能用來生成許多其他器官的圖像，譬如胃、腎臟或肝臟。

傳統心臟超聲波成像技術不斷旋轉一個超聲波探頭，從多個維度來分析心臟。為了消除這種旋轉的需要，新器件中的超聲波傳感器和發射器陣列的形狀像個十字，那么超聲波能以正確的角度行進到彼此那邊。

科學家開發出一種定制的深度學習人工智能模型，它能分析來自貼片的數據，自動且不斷地估量生命征象的詳細數據，譬如伴隨每一下心跳從左心室被泵出的血液比例，伴隨每一下心跳和每一分鐘內整個心臟泵出的血液量。研究者指出，大多數心臟問題的根源在于心臟無法泵出足夠的血液，這些問題常常只在身體運動時顯現。

科學家直到研發出可穿戴超聲波器件之后，才開始研究心臟成像技術。

“我們在一次聊天中獲知，一位同事的親戚不久前死于突然的心臟病發作，我們這才意識到，我們的技術能給大家的生命帶來真正的影響。”研究的共同第一作者、加州大學圣迭戈分校的納米工程師黃皓（Hao Huang，音譯）說道，“我們沒有期望成像器件的成像質量會十分高。然而，結果我們發現，在用新的工程調試后，我們能實現可與商用探頭相媲美的成像質量。當看到在多輪改善后的充滿細節的圖像，我們知道抓住了一個重磅研究項目，我們認為應該繼續這個研究方向，不要浪費了成像器件的能力。”

黃皓回憶說：“一開始他們總是花很大力氣才讓超聲波束聚焦。找出問題所在基于讀數的大量試錯。在許多次失敗后，我們使用一種自動化校正策略來讓換能器陣列擁有高度一致性和完美校準，那么就能保證超聲波束的聚焦。另一些問題涉及信號中的噪聲。我們進行許多次試錯，確定所有噪聲來源，讓成像器件隔絕所有噪聲來源，但這樣仍然留有最主要的噪聲源，也就是人類的身體。”他們最終研發出可拉伸的電磁屏蔽體，使用的液態金屬正是用于器件電極的那類金屬，旨在“除去來自人類身體的噪聲，同時保持成像器件的柔性和可延伸性”。事實證明，優化后的屏蔽層運作得十分好，最終能除去那些圖像中的噪聲。

研究者指出，目前器件通過線纜連接電腦。他們已經開發出無線版本的貼片器件，正在接受評議的一個研究將有更多無線器件的細節。

該研究的項目負責人、加州大學圣迭戈分校教授徐升打算通過Softsonics公司來將這項技術予以商品化。徐升是Softsonics公司的創始人之一。胡鴻杰說，需要有進一步工作才能把這個器件開發為一個完整的、擁有內置電源的可穿戴系統。

資料來源 IEEE Spectrum