Nature：新开发的可穿戴超声贴片可连续、无创监测大脑血流

在一项新的研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发出一种可穿戴超声贴片（wearable ultrasound patch），其可对大脑血流进行连续、无创的监测。这种柔软而有弹性的贴片可以舒适地戴在太阳穴上，提供脑血流的三维数据，是穿戴技术的首例证实体现。

相关研究结果于2024年5月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch”。论文通讯作者为加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系教授Sheng Xu。

与目前的临床标准方法——经颅多普勒超声（transcranial Doppler ultrasound）相比，这种可穿戴超声贴片标志着一次重大飞跃。这种方法需要一名训练有素的技术人员将超声波探头对准患者的头部。不过，这种方法也有缺点。它依赖于操作者——测量的准确性会因操作者的技术而异。此外，长期使用这种方法也不切实际。

Xu及其研究团队开发了一种克服了这些障碍的设备。他们的可穿戴超声贴片提供了一种免手持、稳定和舒适的解决方案，可在患者住院期间持续佩戴。

论文共同第一作者、Xu实验室材料科学与工程博士生Sai Zhou说，“这种贴片的连续监测功能解决了当前临床实践中的一个关键缺口。通常情况下，脑血流是在每天的特定时间进行监测的，而这些测量并不一定能反映一天中其他时间可能发生的情况。在两次测量之间可能会出现未被察觉的波动。如果患者在半夜发生中风，这种设备可以提供对及时干预至关重要的信息。”

论文共同第一作者、Xu实验室的化学与纳米工程博士生Geonho Park指出，正在接受脑部手术和从手术中恢复的患者也能从这项技术中受益。

这种贴片大约为邮票大小，由内嵌有多层弹性电子元件的硅弹性体（silicone elastomer）制成。其中的一层弹性电子元件由小型压电传感器阵列组成，当受到电刺激时会产生超声波，并接收大脑反射的超声波。另一种关键组件是由弹簧状电线制成的铜网层，它能最大限度地减少来自佩戴者身体和环境的干扰，从而提高信号质量。其余各层由可拉伸电极组成。

使用时，这种贴片通过电缆与电源和计算机相连。为了实现三维监测，研究人员在系统中集成了超快超声成像技术。标准超声波每秒可捕捉约 30 幅图像，而超快成像每秒可捕捉数千幅图像。要从这种贴片中的压电传感器收集到可靠的数据，就必须采用这种高帧率，否则会因头骨的强烈反射而导致信号强度变低。他们然后使用定制算法对这些数据进行后处理，以重建三维信息，如大脑大动脉的大小、角度和位置。

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07381-5

论文共同第一作者、Xu实验室材料科学与工程系博士生Xinyi Yang说，“脑血管结构复杂，有多条分支血管。你需要一种能够捕捉这些三维信息的设备来了解全貌，并获得更精确的测量结果。”

在这项研究中，这种贴片在36名健康志愿者身上进行了测试，以检验其测量脑部主要动脉血流速度（收缩期峰值、平均流速和舒张末期速度）的能力。参与者进行了影响血流的活动，如握手、憋气和阅读。这种贴片的测量结果与传统超声探头的测量结果非常吻合。

下一步，这些作者计划与加州大学圣地亚哥分校医学院的临床医生合作，在患有影响脑血流的神经系统疾病的患者身上测试这种贴片。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Sai Zhou et al. Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07381-5.