可穿戴设备的下一波浪潮：利用超声波贴片实现更智能的诊断医疗保健

可穿戴技术，或称“可穿戴设备”，无论在开发还是使用方面都获得了很大的发展动力。 

这些电子设备被设计为佩戴在用户身上作为配件。它们甚至可以植入或嵌入到衣服中。事实上，正如我们所分享的，研究人员 最近在可穿戴技术方面取得了突破，从而创造出对运动和温度作出反应的纺织品。这是多么令人兴奋啊！

但可穿戴设备如何实现这一目标呢？它们 配备 传感器用于收集与用户健康、健身和环境条件相关的数据。同时，处理器允许它们处理计算并执行其预期任务。 

这些设备 进一步设计 通过无线技术与其他设备通信，使它们能够同步数据并通过应用程序访问附加功能。

可穿戴技术有多种用途，例如导航、互动游戏、提高效率、实现非接触式支付等，以增强整体用户体验。 

我们今天要重点关注的可穿戴设备的一个关键的实际应用是医药和医疗保健。 可穿戴医疗保健设备 实际上可穿戴设备分为两大类：消费级可穿戴设备和医疗级可穿戴设备。 

手表、衣服和戒指等消费级可穿戴设备可让用户通过跟踪步数、卡路里消耗、心率、氧气水平和睡眠模式等指标来监测自己的健康和健身状况。实时访问有价值的数据可让用户更好地照顾自己。 

与此同时，医疗级可穿戴设备包括血压监测仪、心电图监测仪、生物传感器和血糖监测仪，它们因向用户提供管理慢性疾病的宝贵数据而越来越受欢迎。通过让患者能够收集和访问他们的 己 健康数据然后报告，这项技术消除了亲自预约的需要。 

这些设备还为医疗专业人士提供实时可操作的见解，这些见解也可以远程获取，并帮助他们提供更加个性化的治疗。有趣的是，我们可能很快就能 使用我们普通的智能手机作为血糖仪.

鉴于可穿戴技术的巨大优势，对智能可穿戴健康设备的需求正在蓬勃发展，这些设备 预计价值 70 亿美元 在接下来的四年里。 

消费级可穿戴设备占可穿戴设备的最大份额，因为它们的可用性和可访问性不断提高，当然，还有智能手机的普及，可以轻松管理数据。与此同时，医疗级可穿戴设备必须经过临床研究并获得相关政府机构的批准，才能收集数据用于临床决策。 

可穿戴超声波创新技术革新医疗保健

在可穿戴设备蓬勃发展的背景下，研究人员提出了一个 可穿戴超声波设备 可以无线监测肌肉活动。这项新技术在医疗保健和人机界面方面具有潜在的应用前景。 

可穿戴肌电图 (EMG) 设备已经能够识别肌肉活动，以监测健康状况并跟踪身体运动。然而，由于 EMG 信号的空间分辨率、稳定性和信噪比较低，这种方法相当有限。 

来自多条肌肉纤维的肌电信号也容易混合，从而很难分离出特定肌肉纤维的贡献。 

更不用说，它们在正常的肌肉活动期间本质上就很弱。为了弥补这一点，需要在皮肤上贴上大电极来记录肌肉的电活动，这会降低空间分辨率。

这项临床标准的一个有希望的替代方案是超声肌动图 (EcMG)，它可以使用超声波检测肌肉运动。毕竟，超声波可以穿透深层组织，提供高分辨率成像，从而提供对肌肉功能的详细了解。 

尽管心电图安全、功能多样且易于操作，但其问题在于它依赖于庞大而复杂的传感器阵列。它们不仅限制了用户的移动性，而且功耗也很高。

因此，加州大学圣地亚哥分校的工程师在美国国立卫生研究院的支持下开发了一种完全集成的可穿戴超声肌动图系统。 

这项研究的负责人、加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系教授兼雅各布斯学院学者 Sheng Xu 此前曾报告过此类超声波贴片。

去年，该团队 报道 在该贴片中实现了无线功能。这项研究的关键要素是其超声波电路设计。 

在之前的这个设备中，研究团队更换了连接超声波探头的柔性电缆，并用它进行数据传输和供电。

“（该电路）可以预处理超声波数据并通过无线方式传输到后端站进行进一步分析。”

– 徐在 次

上次研究的重点是心血管健康，机器学习算法自动处理信号并持续追踪颈动脉，使得团队即使在贴片佩戴者移动时也能获得超声波信息。 

“这种自动追踪算法为医学超声检查和运动生理学提供了前所未有的机会。”

– 林牧阳，第一作者，徐实验室博士生

研究团队在来自三个不同种族的十名健康受试者中交叉验证了他们的 AI 模型，下一步是在更大的人群中验证该补丁。据 Lin 介绍：

“我们希望通过这种设备模糊家庭护理和住院诊断之间的界限。我们预见到，未来可以通过此类无线设备随时随地进行诊断。”

而 补丁已评估 用于监测心血管功能，它还可以应用于腹部和四肢，分别用于监测膈肌和外周动脉， 被针对 在最新的研究中。几个月前，徐实验室的杨欣怡 证明 这 可穿戴超声波贴片佩戴起来更加舒适 提供有关脑血流的 3D 数据。

释放人机交互的潜力

现在，最新研究的主要创新是使用单个超声波换能器更有效地感知深层问题。

此处的软超声波贴片封装在柔性硅胶弹性体外壳中。 并涉及 它由三个主要元素组成——一个用于发送和接收超声波的单个换能器、一个用于数据处理和控制换能器的定制无线电路，以及一个为系统供电至少三个小时的板载锂聚合物电池。

单个超声波换能器是其主要创新，它发射强度可控的超声波并捕获携带信息的射频信号。 本篇 可用于测量隔膜厚度等临床应用。 

该设备利用这些信号实现高空间分辨率，这对于分离特定的肌肉运动非常重要。同时，定制的深度学习算法帮助研究人员从这些信号中提取更多见解。

人工智能算法将信号映射到相应的肌肉分布，从而可以从收集的信号中精确检测特定的运动。

该电池供电的设备可以通过一层粘合剂粘附在皮肤上，从而实现对肌肉的长期精确无线监测。

“这项技术可能会被人们在日常生活中佩戴，以进行持续、长期的监测。”

– 合著者陈向军，加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程专业博士生

为了证明其功效，该团队使用该设备来检测横膈膜活动，从而可以识别不同的呼吸模式。 他们发现他们的 可穿戴单传感器超声肌动图系统实际上可以通过以亚毫米分辨率跟踪横膈膜活动来跟踪和检测不同的呼吸模式。

在设备测试期间， 它被磨损了 位于胸腔上方，用于监测横膈膜的厚度和运动，有助于评估呼吸系统健康状况。

厚度可用于评估膈肌功能障碍并预测通气患者的预后。通过分析肌肉运动，可以检测到不同的呼吸模式，这有助于诊断与呼吸不规律相关的疾病，如肺炎、哮喘和慢性阻塞性肺病 (COPD)。  

在小组试验中，该设备成功区分了健康个体和 COPD 患者的呼吸模式，展示了该设备在呼吸护理方面的潜力。

“通过追踪横膈膜活动，该技术可以为患有呼吸系统疾病的患者和依赖机械通气的患者提供支持。”

– 该研究的共同作者 Joseph Wang，爱知大学化学与纳米工程系教授

然后使用该设备 前臂上的传感器可以检测手部和手腕的肌肉活动。研究人员发现，它可以成功地从单通道射频超声信号中识别手势， 被检测到 来自前臂肌肉。 

定制的深度学习算法使团队能够仅从超声波信号中更准确地检测各种手势。总共 13 个手关节 有报道 至 被认可 平均误差仅为7.9°。

此次运动检测涉及十个手指关节和三个手腕旋转角度，表明该系统可以高灵敏度捕捉到哪怕是轻微的手指和手腕运动。此次测试还展示了该设备作为人机界面来玩虚拟游戏或控制机械臂的潜力。

根据该研究的共同作者、加州大学圣地亚哥分校同一系的博士生岳文通的说法：

“这些演示强调了该技术在假肢、游戏和其他人机界面应用方面的潜力。”

现在，研究人员将在接下来的步骤中 进一步提高 该技术的能源效率、便携性、准确性和计算能力。

可穿戴超声波的兴起开启医学的未来

可穿戴超声波是一项医学突破，可以彻底改变医疗保健。然而，这一进步已经持续了一段时间。多年来，科学家们克服了各种挑战，开发了不同的可穿戴超声波，以便更好地远程监测患者的关键生理功能。

资料来源：Wiley 在线图书馆

今年早些时候，研究人员 发现 液态金属可以克服依赖换能器的超声波系统的声阻抗问题。通常，这个问题 被解决 借助匹配层，但用于此目的的大多数材料对于可穿戴设备来说太过坚硬。

为了设计出更符合要求但又功能齐全的匹配层，研究人员在软硅胶中加入了不同大小和体积的镓基液滴。通过用约 70% 的液滴浸透硅胶，匹配层的最终密度使其声阻抗提高了 400% 以上。当受到应变时，阻抗仅下降了 13%，就像匹配层作为可穿戴设备的一部分所承受的一样。

随后，该团队将其可拉伸匹配层集成到可穿戴超声波原型中，成功记录了模拟运动，展示了其作为诊断设备的潜力。

几年前，由麻省理工学院的赵宣和博士领导的美国国立卫生研究院资助的研究小组也开发了一种可穿戴的超声波贴片，其大小与一张厚邮票相当，可以在干燥和潮湿的环境中贴在皮肤上。 

测试发现，该贴片佩戴舒适，至少可连续 48 小时，并能提供肌肉、血管、心脏、膈肌、肺或胃的连续成像。然而，该贴片必须 上瘾 计算机系统进行密集数据处理。然而，正如我们所见，最新的进展专注于消除这些限制，同时提高系统效率。

“我们设想将一些贴片粘贴到身体的不同位置，这些贴片将与你的手机进行通信，然后人工智能算法将根据需要分析图像。”

– 赵立坚在 次

本篇 现在开始成为现实，苏格兰健康科技公司 Novosound 保障 今年早些时候，该公司获得了可穿戴超声波的专利。该设备可以持续监测患者的血流和血压，佩戴在身上即可在移动设备上显示图像。

“这使我们能够与智能手表合作伙伴整合和授权该技术，更深入地了解身体并增强其光学和电传感器提供的测量能力，从而实现手腕上全天候血压监测的目标。”

– Novosound 首席执行官兼联合创始人 Dave Hughes 博士

该专利不仅赋予该公司销售该技术和与主要机构合作试点项目的独家权利，还使其参与了消费者数字健康应用的研发合同。Novosound 已经与德克萨斯医学中心合作开发其超声波可穿戴设备的用例。

医疗可穿戴设备相关公司

可穿戴技术是一个不断发展的领域，吸引了科技巨头的兴趣，例如 Apple (AAPL +0.15% )该公司一直在通过其消费级可穿戴设备 Apple Watch 探索健康相关的应用。

我们会然而， 重点关注积极参与医疗领域的公司，因此这里有两个可能从可穿戴超声波等创新中受益的知名公司。

1. 美敦力公司 (MDT +0.09% )

美敦力股份有限公司是医疗设备领域的全球领导者，提供广泛的医疗技术解决方案，并正在探索用于诊断和健康监测的可穿戴设备，包括远程解决方案。

2022 年，美敦力 合作 与 BioIntelliSense 合作，推出 BioButton 可穿戴设备，每天可测量多达 1,440 个生命体征测量值，包括静息心率、皮肤温度和静息呼吸频率。今年，该公司 重点 在人工智能方面，要求每个部门提出利用该技术来提高生产力的想法。

美敦力市值为 115.56 亿美元，目前股价为 90.11 美元，今年上涨 9.38%。该公司的 EPS (TTM) 为 2.97，P/E (TTM) 为 30.31，股息收益率为 3.11%。

美敦力 2025 财年第一季度（截至 26 年 2024 月 XNUMX 日） 报道 收入为 7.9 亿美元，增长 2.8%。首席执行官 Geoff Martha 表示：“我们的基础市场健康，我们正在推动运营严谨性，新产品创新正在推动主要健康技术市场的多元化增长。”

本季度，心血管产品组合收入增长 5.5% 至 3 亿美元，神经科学产品组合收入增长 4.4% 至 2.3 亿美元，糖尿病产品组合收入增长 11.8% 至 647 亿美元，而医学外科产品组合收入下降 0.4% 至 1.996 亿美元。

2. 通用电气医疗保健技术 (全球能源中心 -1.15％)

这是一家医疗技术公司，除了成像、药物诊断 (PDx) 和患者护理解决方案 (PCS) 外，还提供创新的超声波解决方案。鉴于其专注于超声波解决方案，GE Healthcare 有可能将可穿戴技术集成到诊断成像中。

今年，该公司 合作 与 Biofourmis 合作，将患者监测技术的应用范围扩展到家庭。Biofourmis 是一个虚拟专科护理平台，结合了人工智能算法，提供远程监测急性和急性后患者的工具。

几年前，GE Healthcare 也 铺开 无线便携式传感器，供患者在住院期间佩戴，使临床医生无需定期检查即可跟踪患者的生命体征。

通用电气医疗集团市值为 39.64 亿美元，目前股价为 86.78.11 美元，今年以来上涨 12.23%。该公司的每股收益 (TTM) 为 3.65，市盈率 (TTM) 为 23.77，股息收益率为 0.14%。

3 年第三季度，GE 医疗 报道 营收为 4.9 亿美元，同比增长 1%，同时指出其在美国的收入实现了正增长 被抵消了 受中国市场持续疲软的影响，其净利润为 470 亿美元，经营活动现金流为 742 亿美元，而自由现金流为 651 亿美元。

“整个组织正在实施的精益举措正在为患者和客户带来更好的价值，并带来利润的强劲增长。”

– 首席执行官 Peter Arduini

结语 

在医疗保健领域，超声波发挥着重要作用，它使临床医生能够看到我们的身体内部，从而诊断疾病并监测健康状况。因此，研究人员对将这种非侵入式技术融入可穿戴设备很感兴趣。

正如我们在最新研究中看到的，多功能可穿戴超声波贴片可以随时提供内部组织的高分辨率成像，适用于各种临床和诊断应用，开创个性化医疗的新时代。 

总体而言，可穿戴设备是医疗保健的未来，但必须解决有关传感器的准确性和可靠性以及电池寿命的问题，并且 应该提供更好的分析工具 充分享受技术带来的好处！

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