加州大学圣地亚哥分校的工程师们已经开发出一种可穿戴的超声波设备，可以提供对肌肉活动的长期无线监测，在医疗保健和人机界面方面具有潜在的应用前景。该设备被设计成用一层粘合剂粘在皮肤上，由电池供电，可以在没有侵入性手术的情况下对肌肉功能进行高分辨率跟踪。

由加州大学圣地亚哥分校李宇峰家族化学与纳米工程系的教授和雅各布斯学院学者徐盛领导的研究小组于10月31日在《自然电子》杂志上发表了他们的研究成果。这项工作是与加州大学圣地亚哥分校健康中心的肺科专家、重症监护专家和医学教授李景红的合作项目。

在测试中，该装置被戴在胸腔上，以监测隔膜的运动和厚度，这对评估呼吸健康很有用。“通过追踪横膈膜活动，这项技术可能会为呼吸系统疾病患者和依赖机械通气的患者提供支持，”该研究的合著者、爱索李玉峰家族化学与纳米工程系的杰出教授约瑟夫·王（Joseph Wang）说。

此外，研究人员成功地在前臂上使用该设备来捕捉手和手腕肌肉的活动，这使得它可以作为人机界面来控制机械手臂和玩虚拟游戏。

这种可穿戴超声技术可能为目前的临床标准肌电图（EMG）提供一个有前途的新选择，后者涉及在皮肤上应用金属电极来记录电肌肉活动。尽管肌电图长期使用，但它存在分辨率低、信号弱的问题。例如，来自多个肌肉纤维的信号经常混合在一起，这使得分离特定肌肉纤维的贡献具有挑战性。

然而，超声波通过穿透深层组织提供高分辨率成像，提供对肌肉功能的详细了解。徐的团队和他们的合作者开发的超声波技术具有紧凑、无线和低功耗的额外优势。该研究的第一作者之一、加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程专业的博士候选人陈向军说：“这项技术可能会被个人在日常生活中佩戴，进行持续、长期的监测。”

该装置安装在一个柔性硅弹性体外壳中，由三个主要部件组成：用于发送和接收超声波的单个换能器；一个定制设计的无线电路，控制传感器，记录数据并将数据无线传输到计算机；锂聚合物电池可以为系统供电至少三个小时。

这项工作的一个关键创新是使用一个单一的超声换能器来有效地感知深层组织。换能器发出强度可控的超声波，并捕获携带丰富信息的射频信号，使临床应用如测量隔膜厚度成为可能。利用这些信号，该设备可以实现高空间分辨率，这是隔离特定肌肉运动的关键。为了从这些信号中提取更多的见解，研究人员开发了一种人工智能算法，将信号映射到相应的肌肉分布，使其能够以高精度和可靠性从收集的信号中识别特定的手势。

当佩戴在胸腔上时，该装置可以精确地监测隔膜厚度，精度达到亚毫米。膈膜厚度是临床用于评估膈膜功能障碍和预测通气患者预后的指标。通过分析肌肉运动，研究人员还可以检测到不同的呼吸模式，比如浅呼吸和深呼吸。这一功能可以帮助诊断与呼吸异常有关的疾病，如哮喘、肺炎和慢性阻塞性肺疾病（COPD）。在一个小组试验中，该设备成功地区分了COPD患者和健康参与者的呼吸模式。

“这证明了该技术在呼吸护理方面的临床应用潜力，”该研究的第一作者之一、加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系李宇峰家族博士后研究员林慕阳说。

当戴在前臂上时，该设备可以精确跟踪手部和手腕的肌肉运动。由于该团队开发的人工智能算法，该系统能够仅通过超声波信号识别各种手势。该系统能够识别13个自由度，涵盖10个手指关节和手腕的3个旋转角度。因此，即使是轻微的手腕和手指运动，它也能以高灵敏度捕捉到。

在概念验证测试中，参与者使用前臂上的装置来控制机械臂，将水移到烧杯中。在另一个演示中，他们使用该设备玩虚拟游戏，使用手腕动作来控制虚拟鸟飞越障碍物。“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，”该研究的第一作者之一、加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系李宇峰家族博士研究生文通岳说。

展望未来，研究人员计划提高该技术的准确性、便携性、能源效率和计算能力。

作者：加州大学圣地亚哥分校

链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241031124459.htm

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