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用超声测量血管直径的变化监测血压
由于生物材料（如血管壁）有规律的应力-应变关系，血管直径与血压的波形的变化，可以通过动脉刚度系数进行关联。可穿戴超声传感器通过测量血管的直径，并将这个数据转化为血压。
图丨可穿戴超声传感器工作原理示意图。使用透明敷料固定在手臂上的超声传感器通过同侧手臂上的动脉导管或者对侧手臂上的袖带式血压计来进行数据验证（来源：Nature Biomedical Engineering）
可穿戴超声传感器的工作原理如上图所示，通过发射超声波束深入人体内部，对目标动脉发出超声波，动脉的前后壁在射频信号中显示两个峰值。
再通过峰值的运动来跟踪动脉壁脉动，从而产生动脉直径波形。这些波形被转换和校准为血压波形，也就是需要测量的连续的血压。
这种测量方式直接关注动脉脉动，不需要进行侵入式测量，也不受皮肤特性变化的影响，可以提高血压测量的准确性和稳定性。
尽管具备以上所述优势，即便是当前最先进的可穿戴超声设备，在实际应用中也面临着孤立的声学窗口易导致测量误差，以及缺乏充分的安全性和性能验证的问题。
而该课题组所开发的可穿戴超声传感器结合了优化的声学和机械设计，克服了传统监测技术的局限性。
连续的声学窗口和背衬层提升测量精度
本次传感器采用紧密相连的声学窗口和背衬层，有效减少了换能器振铃效应，提高了对动脉壁运动的追踪精度和测量稳定性。
其还采用 20 个超声换能器元件紧密排列的线性阵列，每个元件间的间距被缩小至 0.5 毫米，形成了一个宽约 10 毫米的连续声学窗口。
这种紧密的结构设计带来了两个显著优势：全面覆盖目标动脉和降低对准要求。
由于声学窗口更宽，能够全面覆盖目标动脉，如桡动脉和肱动脉，即便传感器在佩戴时轻微移动，仍然可以保持超声波束聚焦于目标区域，减少了因错位造成的信号丢失。
宽声窗对动脉与传感器之间的对准敏感性降低，这样在实际使用中，即使传感器与动脉未完全对齐，也能提供稳定可靠的超声成像，减少因位置变化引起的测量偏差。
此外，传感器设计中还增加了一个厚度为 500 微米的背衬层，起到了重要的阻尼作用，可以减少换能器的振铃效应。
振铃效应指的是换能器激活后残留的多余振动，这会延长声脉冲的长度并导致信号模糊，从而影响测量的准确性。
背衬层通过抑制这些多余的振动，显著缩短了声脉冲的持续时间，使反射信号更加清晰锐利。
此外，更短的声脉冲长度大幅度提升了动脉壁追踪的精度。超声信号因此能够更精确地捕捉到动脉壁细微的膨胀和收缩，提供极高的空间分辨率。
这种改进尤其在检测变化幅度较小的周围动脉脉动时至关重要，确保了血压监测的准确性和可靠性。
传感器还具有高度的机械柔性和贴合性，可稳固地贴合在不同的皮肤曲面上，适合长时间佩戴并进行连续监测，满足日常和临床使用的需求。
通过对可穿戴超声传感器的优化设计和一系列实验，该课题组对设备的声学特性、机械柔性和耐用性进行了详细表征，确保传感器在各种使用环境下都能保持出色性能。
多场景验证实际医疗场景下的高可靠性
为了验证传感器的性能，研究人员在多种临床环境中进行了大规模、严格的实验。经历了在实验室中的健康人群、门诊患者、在术中病人和术后病人的验证，测试场景包括日常活动中的使用场景、心脏导管实验室以及重症监护病房等。
研究涵盖了从静止状态到动态活动的血压监测，并对设备在姿势变化（如站立、坐下和仰卧）、多种生理刺激（如运动，进食，冥想等）。此外，研究人员对复杂医疗环境中的稳定性和可靠性也进行了系统评估。
图丨传感器在人的不同状态下测量的血压（来源：Nature Biomedical Engineering）
结果显示，传感器在不同场景下测量的血压值与标准临床设备高度一致，所有结果均满足国际血压监测标准，展示了设备在实际临床条件下的高可靠性，并支持其未来的广泛医疗应用。
据周赛介绍，可穿戴超声传感器的应用前景广泛，大致可以分为以下几种：
家庭和便携式健康监测：能够为高血压患者和患心血管疾病风险的人群提供全天候、连续的血压监测，以取代传统的袖带式血压计。
重症监护与术后监测：在重症监护病房中，该设备可作为非侵入性替代方案，实现无创、精确的实时血压监控，为需要长时间监测血压的重症患者提供更安全、舒适的选择，减少动脉导管带来的感染和血栓等风险。
运动与健身领域：对于运动员和健身爱好者，这项技术可以提供实时的血压数据，帮助监控身体在运动中的心血管反应，优化训练计划并防止因剧烈运动导致的心血管问题。
远程医疗与健康大数据分析：随着可穿戴设备和远程医疗技术的普及，该传感器能够无缝集成到健康监测系统中，帮助医生通过远程实时获取患者的血压数据。
睡眠医学与夜间高血压监测：该可穿戴传感器可以在用户睡眠过程中连续监测血压，为夜间高血压和相关睡眠障碍（如睡眠呼吸暂停）提供精确的评估工具，进而优化诊断和治疗方案。
慢性病管理与个性化治疗：通过持续监测，设备可以帮助医疗人员追踪患者对药物的反应，实时调整治疗方案，提供更加精准和个性化的慢性病管理策略。
将推进技术向商业化发展
回顾研究过程，周赛表示，曾有一位患有多年高血压和心血管疾病的高龄患者向他表示感谢，这位患者对他说：“如果这样的设备能早点问世，也许很多病人就能早些发现健康隐患，而不用经历那么多担忧。”
这番话让周赛感到他的工作不仅是科学研究，更是有望为人们的生活带来改善。
下一步，该课题组计划继续进行更大规模的临床试验，以验证设备在不同人群中的表现，并将覆盖更广泛的年龄层次和不同健康状况的个体。
通过这些数据，研究团队希望进一步确认设备的普适性和性能稳定性，并为未来的监管批准和市场推广积累更坚实的证据。
此外，他们还计划进一步将设备向小型化发展，使其更加轻便和舒适，适合全天候佩戴，并且继续探索超声传感器在其他医疗领域的潜在应用。
同时，该课题组计划使用 AI 技术来提升脉搏波分析的准确性和效率，以实现自动识别与分类，自动提取脉搏波中的重要特征，如上升时间、反射波位置和波峰波谷等，提升分析的准确性。
此外，还可以根据每位用户的历史数据进行个性化健康预测，分析脉搏波变化趋势并预测未来的心血管健康风险。
通过 AI 技术，有望向更智能化的远程医疗应用进一步发展。AI 可以实时分析从设备上传到云端的数据，并生成健康报告或自动预警，提醒用户和医生潜在的健康问题。这将有助于提升医疗服务的响应速度，并改善偏远地区的医疗可及性。
目前，周赛正在将可穿戴超声技术向商业化合规模化生产推进，并寻求战略投资者和合作伙伴。
参考资料：
1.Zhou, S., Park, G., Longardner, K. et al. Clinical validation of a wearable ultrasound sensor of blood pressure. Nature Biomedical Engineering (2024). https://doi.org/10.1038/s41551-024-01279-3
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