心臟病是老年人死亡的主要原因，并且由于生活方式因素，在年輕人中也變得越來越普遍。心臟病的征兆是短暫且不可預(yù)測的，因此很難發(fā)現(xiàn)。這增加了對更先進(jìn)、包容性、非侵入性和具有成本效益的監(jiān)測技術(shù)的需求。 心臟成像是心臟出現(xiàn)問題之前進(jìn)行篩查和診斷的最強(qiáng)大工具之一。

心臟會(huì)經(jīng)歷各種不同的病理，心臟成像將揭示背后的事實(shí)真相。無論是心腔強(qiáng)烈但正常的收縮導(dǎo)致容積波動(dòng)，還是緊急出現(xiàn)心臟形態(tài)問題，心臟的實(shí)時(shí)影像監(jiān)測都將事情的全貌、細(xì)節(jié)和視覺效果說得淋漓盡致。

總之，心臟成像是評估長期心臟健康、檢測出現(xiàn)的問題和護(hù)理危重病人的重要臨床工具。

然而，傳統(tǒng)的非侵入式心臟成像方法設(shè)備體積大，不能完成長時(shí)間的連續(xù)測量任務(wù)，且心臟的成像往往需要專業(yè)的醫(yī)生給出診斷結(jié)果，不能滿足長時(shí)間的心臟監(jiān)測需求。同時(shí)，現(xiàn)有的可穿戴心臟監(jiān)測設(shè)備功能簡單，多靠捕捉皮膚上的信號(hào)得出監(jiān)測結(jié)果，無法深入到心臟本身。

可穿戴心臟超聲貼片設(shè)備，可以評估人類心臟的結(jié)構(gòu)和功能。這種便攜式設(shè)備的大小與郵票差不多，最多可以佩戴 24 小時(shí)，即使在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)也能正常工作。研究人員們在器件設(shè)計(jì)和材料制造方面引入創(chuàng)新，改善器件與人體皮膚之間的機(jī)械耦合，允許在運(yùn)動(dòng)過程中從不同角度檢查左心室。同時(shí)開發(fā)了一種深度學(xué)習(xí)模型，可自動(dòng)從連續(xù)圖像記錄中提取左心室容積，進(jìn)而計(jì)算關(guān)鍵心臟性能指標(biāo)的波形，如每搏輸出量，心輸出量和射血分?jǐn)?shù)。

得益于定制的 AI 算法，該設(shè)備能夠測量心臟泵出的血液量。這很重要，因?yàn)樾呐K泵血不足是大多數(shù)心血管疾病的根源。心臟功能問題通常只有在身體運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

超聲貼長啥樣？

該器件具有壓電換能器陣列，液體金屬復(fù)合電極和三嵌段共聚物封裝。裝置以苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯（SEBS）為基礎(chǔ)。

研究人員制作了基于共晶鎵-銦液態(tài)金屬和SEBS復(fù)合材料的高密度多層可拉伸電極。該復(fù)合材料具有高導(dǎo)電性，由復(fù)合材料制成的電磁屏蔽可以減輕環(huán)境電磁波的干擾，從而降低超聲射頻信號(hào)中的噪聲并提高圖像質(zhì)量。

圖1：該設(shè)備的器件爆炸圖及貼附位置

該裝置具有優(yōu)異的機(jī)電性能，這取決于其高機(jī)電耦合系數(shù)，低介電損耗，寬帶寬和可忽略的串?dāng)_。整個(gè)裝置的楊氏模量低至921 kPa，與人體皮膚模量相當(dāng)。該裝置具有高達(dá)約110%的高拉伸性并且可以承受各種變形。

圖2：可承受各種變形

它怎么工作？

超聲的發(fā)射波束形成策略對圖像質(zhì)量至關(guān)重要。作者比較了平面波，單焦點(diǎn)和寬光束復(fù)合三種不同的發(fā)射波束方法。

在這三種方法中，寬波束復(fù)合實(shí)現(xiàn)了具有一系列傳輸角度的發(fā)散聲波，并且每個(gè)傳輸?shù)纳蓤D像被相干組合以創(chuàng)建復(fù)合圖像，其具有最佳質(zhì)量并具有擴(kuò)展的超聲窗口。

同時(shí)研究人員還使用了接收波束形成進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量的方法。寬光束復(fù)合實(shí)現(xiàn)了合成聚焦效果，在整個(gè)聲波區(qū)域具有高聲強(qiáng)度，從而獲得了最佳的信噪比和空間分辨率。

圖3：不同發(fā)射波光束在同一深度下形成的圖像（從左到右為平面波，單焦點(diǎn)，寬光束復(fù)合）

心臟的性能由三個(gè)因素表征：每搏輸出量（心臟每次搏動(dòng)泵出的血液量）、射血分?jǐn)?shù)（每次搏動(dòng)從心臟左心室泵出的血液百分比）和心輸出量（心臟每分鐘泵出的血量）。

研究人員開發(fā)了一種算法來促進(jìn)連續(xù)的、AI 輔助的自動(dòng)處理。應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從連續(xù)的圖像流中提取關(guān)鍵信息。

深度學(xué)習(xí)模型自動(dòng)從連續(xù)圖像記錄中分割出左心室的形狀，逐幀提取其體積并產(chǎn)生波形來測量每搏輸出量、心輸出量和射血分?jǐn)?shù)。

具體來說，AI 組件涉及圖像分割的深度學(xué)習(xí)模型、心臟體積計(jì)算算法和數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法，使用這種機(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)模型使設(shè)備能夠在不同身體狀態(tài)下提供準(zhǔn)確和連續(xù)的關(guān)鍵心臟指標(biāo)波形，包括靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)后，這是以前從未實(shí)現(xiàn)過的。

因此，隨著AI組件處理連續(xù)的圖像流以生成數(shù)字和曲線，該技術(shù)可以連續(xù)且無創(chuàng)地生成這三個(gè)指標(biāo)的曲線。

圖4：通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行自動(dòng)圖像處理的工作流程圖

運(yùn)動(dòng)期間的心臟成像

使用傳統(tǒng)的繁瑣設(shè)備無法做到在運(yùn)動(dòng)過程中對心臟實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文中的可穿戴式超聲波貼片非常適合克服這一挑戰(zhàn)。

該裝置可以連接到胸部，對受試者運(yùn)動(dòng)限制較小，從而提供心臟活動(dòng)的的連續(xù)記錄。研究人員對比了受試者在休息，鍛煉，恢復(fù)三個(gè)階段的超聲信號(hào)表現(xiàn)。

圖5：三種狀態(tài)下的受試者及對應(yīng)的超聲信號(hào)表現(xiàn)

展望

這項(xiàng)技術(shù)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對心臟的成像范圍，因?yàn)樗梢酝茝V到對其他深部組織進(jìn)行成像，例如下腔靜脈，腹主動(dòng)脈，脊柱和肝臟。也許在未來，一個(gè)郵票大小的貼片會(huì)成為我們每個(gè)人生活中必備的家庭醫(yī)生。

審核編輯：劉清