首都醫(yī)科大學附屬北京朝陽醫(yī)院

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可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測！醫(yī)學故事.紅藍融合???中華醫(yī)學會理事神經外科教授??什么是可穿戴超聲WearableUltrasound技術：??可穿戴超聲技術是一種融合了柔性和可拉伸超聲換能器、便攜數(shù)據(jù)采集、無線通信和人工智能（AI）技術的創(chuàng)新醫(yī)療技術，通過在人體表面貼合的設備實時獲取和分析生理數(shù)據(jù)，提供持續(xù)健康監(jiān)測、成像、治療和藥物遞送等功能，從而顯著改善醫(yī)療保健質量和效率。其核心在于由銀納米線（AgNWs）和復合彈性基底制成的柔性超聲換能器，能夠在保持高成像質量的同時適應人體復雜曲面。生物粘附和聲學友好界面確保了超聲源與皮膚間的有效耦合，便攜數(shù)據(jù)采集和無線通信技術實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)傳輸，AI技術在圖像處理和數(shù)據(jù)分析中提高成像精度，提供詳細的生理和病理信息。應用方面，包括肩部雙向剪切波彈性成像（DDSWE）和連續(xù)膀胱容積監(jiān)測在內的設備，已被用于健康監(jiān)測、康復治療等領域。然而，技術實現(xiàn)面臨諸多挑戰(zhàn)，如柔性材料和制造工藝的研發(fā)、長期聲暴露的生物效應和皮膚健康問題，以及數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的高能效要求?？傊纱┐鞒暭夹g代表了醫(yī)療技術的前沿，通過多種先進技術的整合，實現(xiàn)了從實驗室到臨床應用的轉化，展示了廣闊的發(fā)展前景。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?關于柔性超聲技術的綜合圖：展示了柔性超聲換能器、便攜數(shù)據(jù)采集、無線通信和人工智能集成的各個方面。圖中包含以下內容：設備在人體上的應用：標注了持續(xù)健康監(jiān)測、成像、治療和藥物遞送功能。核心組件：展示了銀納米線（AgNWs）和復合彈性基底的換能器、生物粘附界面和便攜電子設備。技術挑戰(zhàn)：包括材料耐久性、長期暴露的生物效應和高效數(shù)據(jù)處理。??可穿戴超聲設備因其能夠提供持續(xù)健康監(jiān)測、恢復或替代受損的身體或器官功能，甚至在某些情況下提供超人能力的潛力，而備受關注。近年來，軟物質、納米技術、集成電路、便攜電源技術和人工智能（AI）的進步，為可穿戴超聲研究注入了前所未有的動力，使其在連續(xù)健康監(jiān)測、成像、治療、藥物遞送等應用中展現(xiàn)出越來越重要的角色。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?可穿戴超聲系統(tǒng)涉及不同的換能器配置，如可變形陣列、多元件貼片和單元件探頭；生物信號，如多普勒頻譜、心臟收縮和肌肉收縮；以及應用，如應激超聲心動圖、連續(xù)血壓監(jiān)測、假肢控制和肌肉功能監(jiān)測。??主要技術進展?可穿戴超聲技術的研究進展主要集中在柔性和可拉伸超聲換能器、生物粘附和聲學友好界面、便攜超聲數(shù)據(jù)采集和無線通信、AI驅動的成像和控制等方面。其他創(chuàng)新包括更多的可穿戴主動材料和結構、新型換能器、高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸、輕量化電子設備以及智能圖像重建。以下是文章中詳細介紹的一些關鍵領域和研究進展。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?A.新興的可穿戴超聲技術?Huang等人提供了關于可穿戴超聲設備材料、制造工藝、波束形成和應用的綜述，特別是總結了包括主動材料、匹配和背襯材料、可拉伸電極在內的換能器材料及其相關的制造技術。波束形成策略，特別是基于AI的解決方案，被強調為解決柔性和可拉伸陣列中未知陣列元件位置引起的波束形成誤差的有效方法。這篇綜述還強調了可穿戴超聲在連續(xù)健康監(jiān)測、治療和人機接口等方面的最新應用，并提出了該領域未來的挑戰(zhàn)和前景。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?B.可穿戴超聲神經調制?神經調制被認為是可穿戴超聲技術的重要應用之一，特別是迷走神經調制技術，有望治療癲癇、抑郁癥和自身免疫疾病。VanDamme等人報道了一種由三個8.4MHz壓電換能器組成的袖帶狀設計，展示了實現(xiàn)可穿戴迷走神經刺激技術的新途徑。Hacker等人開發(fā)了一種可穿戴超聲耳迷走神經刺激器，設計成耳機形式，通過8MHz超聲換能器刺激耳部的迷走神經，報告了聲輸出及其安全性因素如溫升和聲強度。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?C.可穿戴超聲成像?可穿戴超聲成像及其相關的連續(xù)健康監(jiān)測是可穿戴超聲技術的高度預期進展之一。Chen等人提出了一種肩部雙向剪切波彈性成像技術，使用定制的T形超聲換能器陣列，能夠動態(tài)量化肩部肌肉的機械性能，這些信息可能幫助外科醫(yī)生和物理治療師未來調整康復強度。Lee等人展示了一種結合深度神經網絡的可穿戴膀胱容積監(jiān)測設備，實現(xiàn)了準確且連續(xù)的膀胱容積監(jiān)測。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?D.可穿戴超聲創(chuàng)新器械?柔性和可拉伸超聲換能器是大多數(shù)可穿戴超聲技術的關鍵組件。Xue等人全面回顧了用于可穿戴超聲成像、傳感和治療的柔性超聲換能器，包括先進材料、換能器設計和制造技術，并討論了未來研究的技術障礙和挑戰(zhàn)。Chen等人報道了一種皮膚貼合的柔性和可拉伸超聲換能器，展示了其在大曲率表面上的適應性和優(yōu)越的成像質量，使用銀納米線與復合彈性基底，確保了電氣和機械連接的穩(wěn)固性。??????可穿戴超聲設備可能會在家庭環(huán)境中使用，因此需要特殊的設計考慮。Barbarevech等人提出了一種整體方法，設計和實現(xiàn)了一個緊湊、電池供電的完全可穿戴超聲設備，用于家庭護理應用中的慢性傷口治療。Vostrikov等人提出了一種超低功耗的可穿戴超聲設備，用于手勢識別，通過分析超聲回波數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了96%的準確率，展示了可穿戴超聲設備在預測連續(xù)手部動作方面的潛力。???可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?結論?本綜述展示了可穿戴超聲領域的高度動態(tài)性和創(chuàng)新性，柔性超聲設備創(chuàng)新、新興的可穿戴超聲應用以及安全性和臨床實施的潛力，將為這一領域帶來前所未有的進展。這些進展將確保這種高效多功能技術從實驗室到床邊的轉化，以及在家庭醫(yī)療和其他靜止環(huán)境中的應用。??最后慣例一張AI圖：??可穿戴超聲未來應用方向-從血管成像到神經調控再到運動監(jiān)測?參考文獻?1.H.Huang,R.S.Wu,M.Lin,andS.Xu,“Emergingwearableultrasoundtechnology,”IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.71,no.7,pp.713–729,Jul.2024,doi:10.1109/TUFFC.2023.3327143.??2.P.Songetal.,“Clinical,safety,andengineeringperspectivesonwearableultrasoundtechnology:Areview,”IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.71,no.7,pp.730–744,Jul.2024,doi:10.1109/TUFFC.2023.3342150.??3.C.vanDamme,G.K.Wardhana,A.I.Velea,V.Giagka,andT.L.Costa,“Feasibilitystudyforahigh-frequencyflexibleultrasoniccuffforhigh-precisionvagusnerveultrasoundneuromodulation,”IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.71,no.7,pp.745–756,Jul.2024,doi:10.1109/TUFFC.2024.3381923.??4.J.T.Hacker,A.R.Slegaitis,andS.W.Stephenson,“Developmentofawearableultrasonicauricularvagusnervestimulator,”IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.71,no.7,pp.757–762,Jul.2024,doi:10.1109/TUFFC.2023.3343915.??5.H.-J.Chen,H.-C.Chuang,G.-X.Xu,C.Chen,W.-R.Su,andC.-C.Huang,“Wearableultrasoundimagingdevicefordynamicdualdirectionshearwaveelastographyofshouldermuscle,”IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.71,no.7,pp.763–774,Jul.2024,doi:10.1109/TUFFC.2023.3348472.???
深度綜述 | 可穿戴超聲Wearable Ultrasound未來應用方向 - 從血管成像到神經調控什么是可穿戴超聲WearableUltrasound技術：????可穿戴超聲技術是一種融合了柔性和可拉伸超聲換能器、便攜數(shù)據(jù)采集、無線通信和人工智能（AI）技術的創(chuàng)新醫(yī)療技術，通過在人體表面貼合的設備實時獲取和分析生理數(shù)據(jù)，提供持續(xù)健康監(jiān)測、成像、治療和藥物遞送等功能，從而顯著改善醫(yī)療保健質量和效率。其核心在于由銀納米線（AgNWs）和復合彈性基底制成的柔性超聲換能器，能夠在保持高成像質量的同時適應人體復雜曲面。生物粘附和聲學友好界面確保了超聲源與皮膚間的有效耦合，便攜數(shù)據(jù)采集和無線通信技術實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)傳輸，AI技術在圖像處理和數(shù)據(jù)分析中提高成像精度，提供詳細的生理和病理信息。應用方面，包括肩部雙向剪切波彈性成像（DDSWE）和連續(xù)膀胱容積監(jiān)測在內的設備，已被用于健康監(jiān)測、康復治療等領域。然而，技術實現(xiàn)面臨諸多挑戰(zhàn)，如柔性材料和制造工藝的研發(fā)、長期聲暴露的生物效應和皮膚健康問題，以及數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的高能效要求?？傊纱┐鞒暭夹g代表了醫(yī)療技術的前沿，通過多種先進技術的整合，實現(xiàn)了從實驗室到臨床應用的轉化，展示了廣闊的發(fā)展前景。關于柔性超聲技術的綜合圖：展示了柔性超聲換能器、便攜數(shù)據(jù)采集、無線通信和人工智能集成的各個方面。圖中包含以下內容：設備在人體上的應用：標注了持續(xù)健康監(jiān)測、成像、治療和藥物遞送功能。核心組件：展示了銀納米線（AgNWs）和復合彈性基底的換能器、生物粘附界面和便攜電子設備。技術挑戰(zhàn)：包括材料耐久性、長期暴露的生物效應和高效數(shù)據(jù)處理。????可穿戴超聲設備因其能夠提供持續(xù)健康監(jiān)測、恢復或替代受損的身體或器官功能，甚至在某些情況下提供超人能力的潛力，而備受關注。近年來，軟物質、納米技術、集成電路、便攜電源技術和人工智能（AI）的進步，為可穿戴超聲研究注入了前所未有的動力，使其在連續(xù)健康監(jiān)測、成像、治療、藥物遞送等應用中展現(xiàn)出越來越重要的角色?？纱┐鞒曄到y(tǒng)涉及不同的換能器配置，如可變形陣列、多元件貼片和單元件探頭；生物信號，如多普勒頻譜、心臟收縮和肌肉收縮；以及應用，如應激超聲心動圖、連續(xù)血壓監(jiān)測、假肢控制和肌肉功能監(jiān)測。主要技術進展????可穿戴超聲技術的研究進展主要集中在柔性和可拉伸超聲換能器、生物粘附和聲學友好界面、便攜超聲數(shù)據(jù)采集和無線通信、AI驅動的成像和控制等方面。其他創(chuàng)新包括更多的可穿戴主動材料和結構、新型換能器、高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸、輕量化電子設備以及智能圖像重建。以下是文章中詳細介紹的一些關鍵領域和研究進展。A.新興的可穿戴超聲技術????Huang等人提供了關于可穿戴超聲設備材料、制造工藝、波束形成和應用的綜述，特別是總結了包括主動材料、匹配和背襯材料、可拉伸電極在內的換能器材料及其相關的制造技術。波束形成策略，特別是基于AI的解決方案，被強調為解決柔性和可拉伸陣列中未知陣列元件位置引起的波束形成誤差的有效方法。這篇綜述還強調了可穿戴超聲在連續(xù)健康監(jiān)測、治療和人機接口等方面的最新應用，并提出了該領域未來的挑戰(zhàn)和前景。B.可穿戴超聲神經調制????神經調制被認為是可穿戴超聲技術的重要應用之一，特別是迷走神經調制技術，有望治療癲癇、抑郁癥和自身免疫疾病。VanDamme等人報道了一種由三個8.4MHz壓電換能器組成的袖帶狀設計，展示了實現(xiàn)可穿戴迷走神經刺激技術的新途徑。Hacker等人開發(fā)了一種可穿戴超聲耳迷走神經刺激器，設計成耳機形式，通過8MHz超聲換能器刺激耳部的迷走神經，報告了聲輸出及其安全性因素如溫升和聲強度。C.可穿戴超聲成像????可穿戴超聲成像及其相關的連續(xù)健康監(jiān)測是可穿戴超聲技術的高度預期進展之一。Chen等人提出了一種肩部雙向剪切波彈性成像技術，使用定制的T形超聲換能器陣列，能夠動態(tài)量化肩部肌肉的機械性能，這些信息可能幫助外科醫(yī)生和物理治療師未來調整康復強度。Lee等人展示了一種結合深度神經網絡的可穿戴膀胱容積監(jiān)測設備，實現(xiàn)了準確且連續(xù)的膀胱容積監(jiān)測。D.可穿戴超聲創(chuàng)新器械????柔性和可拉伸超聲換能器是大多數(shù)可穿戴超聲技術的關鍵組件。Xue等人全面回顧了用于可穿戴超聲成像、傳感和治療的柔性超聲換能器，包括先進材料、換能器設計和制造技術，并討論了未來研究的技術障礙和挑戰(zhàn)。Chen等人報道了一種皮膚貼合的柔性和可拉伸超聲換能器，展示了其在大曲率表面上的適應性和優(yōu)越的成像質量，使用銀納米線與復合彈性基底，確保了電氣和機械連接的穩(wěn)固性。????可穿戴超聲設備可能會在家庭環(huán)境中使用，因此需要特殊的設計考慮。Barbarevech等人提出了一種整體方法，設計和實現(xiàn)了一個緊湊、電池供電的完全可穿戴超聲設備，用于家庭護理應用中的慢性傷口治療。Vostrikov等人提出了一種超低功耗的可穿戴超聲設備，用于手勢識別，通過分析超聲回波數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了96%的準確率，展示了可穿戴超聲設備在預測連續(xù)手部動作方面的潛力。結論????本綜述展示了可穿戴超聲領域的高度動態(tài)性和創(chuàng)新性，柔性超聲設備創(chuàng)新、新興的可穿戴超聲應用以及安全性和臨床實施的潛力，將為這一領域帶來前所未有的進展。這些進展將確保這種高效多功能技術從實驗室到床邊的轉化，以及在家庭醫(yī)療和其他靜止環(huán)境中的應用。????