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A wearable cardiac ultrasound imager

Hu, Hongjie; Huang, Hao; Li, Mohan et al. · 2023 · Nature

Metadata

Authors: Hu, Hongjie; Huang, Hao; Li, Mohan; Gao, Xiaoxiang; Yin, Lu; Qi, Ruixiang; Wu, Ray S.; Chen, Xiangjun; Ma, Yuxiang; Shi, Keren; Li, Chenghai; Maus, Timothy M.; Huang, Brady; Lu, Chengchangfeng; Lin, Muyang; Zhou, Sai; Lou, Zhiyuan; Gu, Yue; Chen, Yimu; Lei, Yusheng; Wang, Xinyu; Wang, Ruotao; Yue, Wentong; Yang, Xinyi; Bian, Yizhou; Mu, Jing; Park, Geonho; Xiang, Shu; Cai, Shengqiang; Corey, Paul W.; Wang, Joseph; Xu, Sheng

DOI: 10.1038/s41586-022-05498-z

Tags: #wearable-ultrasound #cardiac-imaging #deep-learning

摘要概述

本文报道了一种可穿戴心脏超声成像仪，旨在实现对心脏功能的连续、实时、直接成像评估。器件采用正交配置的 1-3 压电复合换能器阵列（3 MHz 中心频率，0.4 mm pitch），配合 eutectic gallium-indium 液态金属/SEBS 复合多层电极与 SEBS 三嵌段共聚物封装，Young's 模量仅约 921 kPa、可承受约 110% 拉伸。通过 wide-beam compounding 传输波束成形策略获得了与商业超声相当的信噪比、空间分辨率与定位精度（轴向/侧向定位一致性约 96%）。进一步训练 FCN-32 深度学习模型从连续图像流中自动分割并提取左心室容积波形，进而导出 stroke volume、cardiac output、ejection fraction 等关键心功能指标，在运动负荷超声心动图中实现了动态、无人值守的心功能监测。主要限制在于器件仍通过柔性电缆连接后端系统，未实现完全无线小型化；FCN-32 模型目前仅适用于训练集中的受试者。

研究问题与假设

  • 研究问题：如何实现连续、实时、直接的非侵入式心脏功能超声成像，以弥补传统超声设备笨重无法连续测量、现有可穿戴心脏设备只能获取皮肤表面信号的不足？
  • 研究动机：传统非侵入式心脏影像设备（MRI、CT、PET、OCT 等）因体积庞大无法提供连续测量（引用 5-11）；现有可穿戴心脏设备（ECG、BCG、PPG、EIT 等）只能捕获皮肤表面信号，无法直接成像心脏结构（引用 12-16，Abstract，PDF p. 1）。连续心脏功能成像对长期心血管健康评估、急性心脏功能障碍检测和危重患者临床管理至关重要（Abstract，引用 1-4）。
  • 可检验假设：未报告。本文为技术开发性研究，未提出正式统计假设，而是以器件性能达标（与商业设备可比）为验证目标。
  • 未研究的范围：系统小型化与无线集成未实现；FCN-32 模型泛化性未验证；动态胸壁曲率补偿算法未开发；空间分辨率有待进一步提高（Discussion，PDF p. 7）。

研究设计与方法

  • 对象、样本与对照：器件力学表征（lap shear n=3，Fig. 1d caption；分辨率 n=5，Fig. 2d,e caption；商业体模 CIRS ATS 539，Methods "Characterization of the wearable imager"，PDF p. 10）；人体成像为健康受试者四视图超声心动图与运动负荷超声心动图（Fig. 3-4，PDF p. 4-6）；深度学习验证取 n=12 心动周期（Fig. 5d caption，PDF p. 7）；对照组为商业超声探头 P4-2v（Extended Data Table 1，PDF p. 22）。受试者人口学信息未报告。
  • 测量与变量：器件力学（Young's modulus、拉伸性、lap shear bonding strength、电阻 vs 应变、循环疲劳，Fig. 1，PDF p. 1-2）；电学性能（electromechanical coupling coefficient、dielectric loss、bandwidth、crosstalk、SNR，Supplementary Fig. 1，PDF p. 10）；成像指标（axial/lateral/elevational 分辨率、SNR、定位精度、dynamic range、CNR，Fig. 2，PDF p. 2-4）；心脏功能（B-mode 四视图、M-mode、心肌位移波形、LVIDs/LVIDd、fractional shortening，Fig. 3-4，PDF p. 4-6；LV volume waveform、SV、CO、EF，Fig. 5，PDF p. 7-8）。
  • 分析流程与统计方法：三种传输波束成形策略对比基于 wire phantom B-mode 图像定量评估（Fig. 2a,b，PDF p. 2-3）；空间分辨率通过 point spread function 的 FWHM 提取（Fig. 2d,e，引用 28，PDF p. 3）；dynamic range 通过线性回归拟合确定（Fig. 2g，Methods Eq. 5，PDF p. 4, 11）；CNR 按标准公式计算（Methods Eq. 7，PDF p. 12）；FCN-32 与多种模型对比，定量指标为 mean intersection over union（Supplementary Fig. 26，Supplementary Tables 4,5，PDF p. 7）；Bland-Altman 分析评估模型生成容积与手工标注容积的一致性（Fig. 5c，引用 44，PDF p. 7-8）。
  • 关键材料、参数与单位：1-3 压电复合（PZT-5H），中心频率 3 MHz，阵列 pitch 0.4 mm（0.78 超声波长）（PDF p. 1）；eutectic gallium-indium 液态金属 + 1.5 wt.% SEBS 复合电极，厚度约 8 μm，最小线宽约 30 μm（PDF p. 1, 10）；SEBS (G1645, Kraton) 基底/超层；Ecoflex 00-30 (Smooth-On) 封装；Silbione (Elkem) 耦合剂（Methods "Materials"，PDF p. 10）；正交阵列每方向 32 elements（Extended Data Fig. 1，PDF p. 14）；wide-beam compounding 97 个传输角度，-37.5° 至 +37.5°，步长 0.78°（Methods "Simulation of the acoustic field"，PDF p. 12）。

核心结果与证据

主要发现 1：液态金属复合电极实现高密度柔性集成与优异力学性能

  • 结论：液态金属复合电极实现了高拉伸性、高导电性和高密度集成，器件整体 Young's 模量与皮肤匹配，可在各种变形下维持与皮肤的紧密声学耦合。
  • 证据定位：Fig. 1b-f；Methods "Characterization of the liquid metal electrode"（PDF p. 10-11）；Supplementary Figs. 2-10
  • 关键数据：电极初始电阻 R0=1.74 Ω（对应电导率约 11,800 S/m）；失效应变约 750%，失效点 R=44.87 Ω，相对电阻 R/R0=25.79；100% 循环应变下初始 500 cycles 电阻渐增后趋于稳定。Lap shear bonding strength：SEBS-transducer 约 250 kPa，electrode-transducer 约 236 kPa（均强于多数商业粘合剂，n=3）。整器件 Young's modulus 921 kPa（与皮肤模量可比，引用 24）；最大拉伸约 110%（双轴）；电极厚度约 8 μm；最小线宽约 30 μm。
  • 作者解释：液态金属电极相比传统 serpentine copper thin film 有更大本征拉伸性，不受蛇形几何限制，可实现高填充率和小 pitch 的高密度集成；SEBS 基质与基底的融合固化保证了均匀附着。
  • 我的判断：力学与电学表征系统全面，数据量充分（n=3 lap shear，n=5 FEA）。但需注意 750% 是电极单独测试的失效应变，整器件最大拉伸仅 110%，实际使用中器件受限于最弱环节。100% 循环仅测试 800 cycles，长期疲劳可靠性有待验证。

主要发现 2：wide-beam compounding 成像质量与商业超声设备相当

  • 结论：在三种传输波束成形策略中，wide-beam compounding 获得最佳信噪比和空间分辨率，穿戴式器件在所有关键成像指标上与商业超声探头 P4-2v 性能相当。
  • 证据定位：Fig. 2a-h；Extended Data Table 1（PDF p. 22）；Supplementary Figs. 12-18；Methods "Characterization of the wearable imager"（PDF p. 10-12）
  • 关键数据：轴向定位一致性 96.01%，侧向定位一致性 95.90%（n=5）。Dynamic range 63.2 dB（>60 dB 医学诊断阈值，引用 30）。CNR 范围 0.63-2.07。对比分辨率 <3 dB（+3/-3 dB 最低对比度目标仍可分辨）。穿透深度 >16 cm。SNR 约 35 dB，bandwidth 约 55%。Crosstalk < -30 dB。Electromechanical coupling coefficient 0.67（商业探头 0.58-0.69，引用 61）。Dielectric loss 0.026（商业探头 0.02-0.04，引用 64-66）。Phase angle >60°。
  • 作者解释：wide-beam compounding 通过多角度发射的相干叠加实现合成聚焦效果，在整个声波辐射区获得高声强度，因此获得最佳 SNR 和空间分辨率。
  • 我的判断：定量表征极其全面，涵盖 8 项关键成像指标，且与商业设备进行了一对一直接对比（Extended Data Table 1），说服力强。但分辨率数据仅来自体模测试，人体条件下因组织异质性和运动伪影，分辨率可能下降。Elevational 分辨率仅对换能器正下方目标进行了表征（Methods，PDF p. 12），偏离中心的分辨率数据缺失。

主要发现 3：运动中连续心脏功能监测与 FCN-32 深度学习自动提取

  • 结论：器件在运动负荷超声心动图全程实现了不间断的左室活动追踪；FCN-32 模型自动从连续图像流中提取 LV 容积波形并导出 SV/CO/EF，与商业设备一致性良好，且能反映恢复期血流动力学指标的动态变化。
  • 证据定位：Fig. 4a-f（stress echo，PDF p. 5-6）；Fig. 5a-h（deep learning，PDF p. 7-8）；Extended Data Fig. 5（PDF p. 19）；Extended Data Figs. 6-7（PDF p. 19-20）
  • 关键数据：运动负荷三阶段（rest 约 4 min，exercise 约 15 min，recovery 约 10 min）。运动期 LVIDs 和 LVIDd 均减小（室间隔和左室后壁向皮肤表面移动），恢复期回升。Fractional shortening：rest 39.85%，exercise 43.46%，recovery 41.14%（Fig. 4e）。Bland-Altman 分析：模型生成与手工标注 LV 容积的均值差均约 -1.5 ml（穿戴式和商业设备），约 95% 数据点在 95% 置信区间内（n=12 心动周期，Fig. 5c,d）。恢复期动态变化：SV 从约 60 ml 增至约 70 ml；EF 从约 80% 降至约 60%；CO 从约 11 l/min 降至约 9 l/min；HR 从约 175 bpm 降至约 130 bpm（Fig. 5g,h）。CO 下降表明心率下降的影响超过了 SV 上升的影响。
  • 作者解释：恢复期心室充盈时间增加使 EDV 和 ESV 均增大；EF 随心收缩力下降而降低；CO 降低由心率下降主导。
  • 我的判断：运动中连续成像是本文最有意义的突破，解决了传统负荷超声仅能在运动前后成像的局限。Bland-Altman 一致性分析设计合理。但 FCN-32 模型仅在训练集受试者上验证（Discussion，PDF p. 7），泛化性存疑；人体成像受试者数量未报告，缺乏多受试者交叉验证；24h 连续佩戴仅评估了皮肤安全性（Supplementary Fig. 22），未评估数据质量在长时间佩戴中的稳定性。

次要结果与负结果

  • 站立位时因人体解剖限制，LV 容积无法准确测定（Fig. 5e，Supplementary Fig. 28，PDF p. 8）。
  • 深呼吸后运动恢复期心脏有时被肺遮挡，需使用 image imputation 算法补全遮挡区域（Supplementary Fig. 29，PDF p. 8）。
  • 3D 扫描器仅能提供静态胸壁曲率，无法适应运动中动态变化的胸壁曲率，导致相位畸变校正不完善（Discussion，PDF p. 7）。
  • FCN-32 模型目前仅适用于训练集中的受试者，无法直接推广到更大人群（Discussion，PDF p. 7）。
  • 在 Extended Data Fig. 4 中，A4C 和 A2C 视图仅在侧卧位时质量达标，坐/站/弯腰位时质量下降（PDF p. 18）。

关键图表

  • 图表定位：Fig. 1（PDF p. 1-2）
  • 展示内容：器件爆炸图（1-3 压电复合换能器、四层液态金属电极、SEBS 基底/超层、液态金属屏蔽层）；电极电阻 vs 拉伸应变（失效约 750%）；100% 循环疲劳性能；lap shear bonding strength（n=3）；整器件 110% 双轴拉伸 FEA；弯/卷/戳/扭变形光学照片。
  • 支持的结论：器件的柔性与皮肤耦合基础——液态金属电极的高拉伸性与高密度集成。

  • 阅读注意：750% 是电极单独失效应变，整器件最大拉伸为 110%；FEA 为模拟值而非实测。

  • 图表定位：Fig. 2（PDF p. 2-4）

  • 展示内容：三种传输策略（plane-wave、mono-focus、wide-beam compounding）的 wire phantom B-mode 图像对比；SNR vs 深度；wide-beam compounding 声场仿真；axial/lateral/elevational 分辨率 vs 深度与侧向距离；dynamic range 拟合（63.2 dB）；CNR vs 对比度。
  • 支持的结论：wide-beam compounding 在所有指标上最优，器件成像质量与商业设备相当。

  • 阅读注意：分辨率数据来自 n=5 测试，误差棒为 s.d.；elevational 分辨率仅对正下方目标表征。

  • 图表定位：Fig. 3（PDF p. 4-5）

  • 展示内容：穿戴式与商业超声仪在四个标准视图（PLAX、PSAX、A4C、A2C）的 B-mode 对比；17-segment 模型；basal/mid-cavity/apical 切面心肌位移波形；M-mode 与同步 ECG 心动周期相位标注。
  • 支持的结论：穿戴式器件成像质量与商业设备在临床标准视图上差异可忽略。

  • 阅读注意：四视图来自同一受试者，未报告受试者数量。

  • 图表定位：Fig. 4（PDF p. 5-6）

  • 展示内容：运动负荷超声三阶段示意；全程连续 M-mode；心率波形；rest/exercise/recovery 三段 LVIDs/LVIDd 波形与 fractional shortening；运动中深呼吸 M-mode 细节。
  • 支持的结论：器件在运动全程实现不间断追踪，捕获传统负荷超声无法获得的运动中实时数据。

  • 阅读注意：fractional shortening 数值（39.85%/43.46%/41.14%）来自图中标注，未报告统计检验。

  • 图表定位：Fig. 5（PDF p. 7-8）

  • 展示内容：FCN-32 工作流示意（输入图像→分割→LV volume→SV/CO/EF）；穿戴式与商业设备 LV 容积波形对比；Bland-Altman 分析（均值差约 -1.5 ml）；SV/CO/EF 均值对比（n=12）；恢复期 LV 容积波形及三段代表性分析（ESV/EDV/SV/EF/CO/HR 动态变化）。
  • 支持的结论：FCN-32 模型自动提取 LV 容积的准确性与商业设备+手工标注相当，恢复期能反映血流动力学动态变化。
  • 阅读注意：Bland-Altman 的 n=12 为心动周期数而非受试者数；模型仅在训练集受试者上验证。

局限、不确定性与可复现性

作者承认的局限

  1. 空间分辨率有待进一步提高（Discussion，PDF p. 7）。
  2. 3D 扫描器只能提供静态胸壁曲率，动态曲率补偿的成像算法尚未开发，影响运动中成像质量（Discussion，PDF p. 7）。
  3. 器件通过柔性电缆连接后端系统进行数据处理，系统小型化与集成尚未实现（Discussion，PDF p. 7；Supplementary Fig. 33）。
  4. FCN-32 模型目前仅适用于训练集中的受试者，泛化性需通过扩展训练集或引入 few-shot/reinforcement learning 策略改进（Discussion，PDF p. 7）。

我识别的局限

  1. 人体成像受试者数量、年龄、性别等人口学信息未报告，所有心脏成像结果（Fig. 3-5）似乎来自极少数甚至单一受试者。这严重影响器件临床适用性结论的外部效度。
  2. FCN-32 模型的训练集/测试集划分未在正文中报告（详见 Supplementary Discussion 11），Bland-Altman 分析可能存在过拟合风险——若测试数据与训练数据来自同一受试者，则一致性结果不能反映模型对未见数据的泛化能力。
  3. 100% 循环应变仅测试 800 cycles（Fig. 1c），长期佩戴（数周至数月）的电极疲劳可靠性未评估。
  4. 器件温度在连续工作 1 h 后约 32°C（Supplementary Fig. 23），但未评估更长时间（如 24 h）连续工作时温度变化和热安全性对成像质量的影响。

数据、代码与复现条件

  • 数据：全部数据在 manuscript 或 Supplementary Information 中（Methods "Data availability"，PDF p. 12）。
  • 代码：https://github.com/UCSD-XuGroup/Wearable-Cardiac-Ultrasound-Imager（Methods "Code availability"，PDF p. 12）。版本号未报告。
  • 关键复现条件：MATLAB UltraSound Toolbox（声场仿真，引用 67）；k-Wave toolbox（scanConversion 图像重建，PDF p. 10）；FCN-32 深度学习模型（Fig. 5a）；1-3 composite (PZT-5H) from Del Piezo Specialties；SEBS G1645 (Kraton)；Ecoflex 00-30 (Smooth-On)；tip sonicator（液态金属微粒化）；screen printing + laser ablation（电极 patterning）；dicing saw（阵列切割）。
  • 可复现性判断：部分可复现。代码开源，材料有商业来源，成像表征方法有详细描述。但器件制造工艺复杂（screen printing + laser ablation + automatic alignment + multilayer electrode bonding），需要专业微加工设备，且关键工艺参数（如 screen printing 条件、laser ablation 功率/速度）部分依赖 Supplementary Information，复现门槛较高。FCN-32 模型的训练数据和超参数未在正文中报告。

个人批注

与我的工作的关系

不直接相关于血管 G&R 力学建模的核心课题。但其"连续动态影像 + 深度学习反演心脏力学指标（心肌位移波形、容积波形 → SV/CO/EF）"的范式，对"如何从动态医学影像反演心血管力学量"有方法学参考价值。柔性器件-皮肤声学耦合的力学设计（液态金属电极 + SEBS 低 Young's 模量匹配）亦可类比到血管壁贴附传感的力学匹配问题——如何让传感器在组织运动中维持稳定耦合是共同的力学挑战。

可复用点

  1. FCN-32 对 LV 容积的自动分割流程可迁移到其他医学影像的自动量化任务。
  2. Bland-Altman 分析用于验证自动提取 vs 手工标注的一致性，适用于任何"算法输出 vs 金标准"的验证场景。
  3. wide-beam compounding 波束成形策略中多角度相干叠加的思想，可类比于多视角数据融合提升重建质量的通用方法。
  4. Lap shear 测试评估柔性电极-换能器界面的方法，可用于评估任何柔性传感器界面的力学可靠性。

疑问与后续动作

  1. FCN-32 的训练数据量和训练/测试划分比例是多少？是否为同一受试者的数据？后续查阅 Supplementary Discussion 11 和 Supplementary Tables 3-5 了解模型对比和训练细节。
  2. 多受试者的泛化效果如何？论文是否在 Supplementary 中报告了跨受试者验证？后续检索该团队后续工作是否解决了泛化性问题。
  3. 器件在病理心脏（如心衰、心肌梗死）上的表现如何？后续关注该技术的临床试验进展。

与上下文的关系

本文建立在

  • 文献 18（Hu et al. 2018, Sci. Adv.）：stretchable ultrasonic transducer arrays for 3D imaging on complex surfaces——1-3 压电复合 + backing layer 技术基础的继承。
  • 文献 19（Wang et al. 2018, Nat. Biomed. Eng.）：conformal ultrasonic device for central blood pressure——serpentine copper 电极方法的改进对象，3 MHz 中心频率选择的参考。
  • 文献 21（Huang et al. 2018, Nat. Electron.）：3D integrated stretchable electronics——液态金属电极 + vertical interconnect accesses 技术的来源。
  • 文献 27（Montaldo et al. 2009, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control）：coherent plane-wave compounding——wide-beam compounding 波束成形策略的理论基础。
  • 文献 33（Cerqueira et al. 2002, Circulation）：AHA 标准化 17-segment 心肌分段模型——临床标准方法的直接采用。
  • 文献 44（Bland & Altman 1986, Lancet）：Bland-Altman 一致性分析方法——统计分析方法的来源。

已核实的后续引用

本次未检索。

同类工作对比

  • 文献 25（Wang et al. 2022, Science）：bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging——采用 rigid wearable module 路线，与本文柔性 patch 路线形成对比。本文在 Extended Data Table 2 中系统对比了两者在 number of quantified functions、flexibility、continuous imaging capability 等维度的差异。
  • 文献 26（Wang et al. 2021, Nat. Biomed. Eng.）：stretchable ultrasonic phased arrays for deep-tissue haemodynamics——使用 serpentine copper thin film 电极，本文改用液态金属电极实现更高集成密度和更小 pitch。
  • 文献 47（Pashaei et al. 2020, IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.）：flexible body-conformal ultrasound patches for neuromodulation——同为柔性超声 patch 但应用场景为神经调控而非心脏成像。
  • 文献 51（Lin et al. 2022, Nat. Rev. Mater.）：soft wearable devices for deep-tissue sensing——综述性对比框架。

与本地论文队列的关系

不适用。

摘要概述

本文报道了一种可穿戴心脏超声成像仪，能够对心脏功能进行连续、实时、直接的成像评估，弥补了传统非侵入式设备笨重无法连续测量、而现有可穿戴心电/光电设备只能获取皮肤表面信号的不足。器件采用正交配置的 1-3 压电复合换能器阵列（3 MHz 中心频率），配合 eutectic gallium–indium 液态金属/SEBS 复合多层电极与 SEBS 三嵌段共聚物封装，Young's 模量仅约 921 kPa、可承受约 110% 拉伸，从而在运动中仍与皮肤保持紧密声学耦合。通过 wide-beam compounding 传输波束成形策略获得了与商业超声相当的信噪比、空间分辨率与定位精度（轴向/侧向定位一致性约 96%）。进一步训练 FCN-32 深度学习模型从连续图像流中自动分割并提取左心室容积波形，进而导出 stroke volume、cardiac output、ejection fraction 等关键心功能指标，在运动负荷超声心动图中实现了动态、无人值守的心功能监测，Bland–Altman 分析显示与商业设备一致性良好。

关键图表

  • Fig. 1：器件爆炸图与力学表征。展示 1-3 压电复合换能器、四层液态金属电极、SEBS 基底/超层的分层结构，以及液态金属复合电极可拉伸至约 750%、整器件可承受 110% 双轴拉伸与弯/卷/戳/扭等变形——确立了器件的柔性与皮肤耦合基础。
  • Fig. 3：穿戴式与商业超声仪在四个标准超声视图（parasternal long/short-axis、apical 4/2-chamber）上的 B-mode 对比，并配合 17-segment 模型给出心肌壁位移曲线与 M-mode 心动周期相位，证明成像质量与商业设备相当。
  • Fig. 5：FCN-32 深度学习工作流——自动从连续图像中预测左室容积并衍生 SV/CO/EF；Bland–Altman 分析显示模型输出与手工标注的容积均值差约 −1.5 ml（95% 数据落在置信区间内），运动恢复期波形能反映心率与各指标随时间的动态变化。

与我的关联

虽不属于血管 G&R 力学建模的核心课题，但其"连续影像 + 深度学习反演心脏力学指标（心肌位移、容积波形 → SV/CO/EF）"的范式，对"如何从动态医学影像反演心血管力学量"有方法学参考价值；其柔性器件-皮肤耦合的力学设计（液态金属电极 + SEBS，低 Young's 模量）亦可类比到血管壁贴附传感的力学匹配问题。