"怀长期主义，聊医工科技"
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近日，加州大学圣地亚哥分校的工程师团队开发出一款可穿戴超声设备，能够进行长期、无线的肌肉活动监测，为医疗保健和人机界面的未来发展提供了新的可能性。该设备通过贴合皮肤的一层粘附剂固定，并由电池驱动，具备高分辨率的肌肉功能追踪能力，且无需进行侵入性操作。
Xu, sheng教授评价：
“这篇发表在《自然电子学》上的文章展示了一种基于单元换能器的可穿戴超声系统及其在健康监测和人机界面中的应用。虽然单元结构简单，但它捕捉到的信号包含关于深层组织的丰富信息。此前，我们主要利用单元换能器信号进行基本健康监测，例如观察动脉脉搏和膈肌厚度的变化。如今，借助人工智能，我们可以从这些信号中提取复杂信息，实现精准的人机互动：我们的结果表明，单元换能器信号可以准确预测一只手中所有手指和手腕关节的弯曲角度！”
这一研究由加州大学圣地亚哥分校的化学与纳米工程系教授的Sheng Xu教授领导，与圣地亚哥大学医学院的医学教授及肺科医生Jinghong Li教授合作完成，研究结果于10月31日发表在《自然电子学》期刊上。
应用广泛：从呼吸健康到人机交互
在实验中，该设备被放置于肋骨上方，以监测膈肌的运动和厚度，这些数据对于评估呼吸健康具有重要价值。
“通过追踪膈肌活动，该技术有望支持患有呼吸疾病以及依赖机械通气的患者，”
该研究的联合作者、化学与纳米工程系的著名教授Joseph Wang说道。
除此之外，研究人员还在前臂上测试了该设备，用于捕捉手部和腕部的肌肉活动，这一能力可以作为人机界面的控制手段，用于操作机器人手臂以及玩虚拟游戏。
该技术或能为现行的临床标准电肌图（EMG）提供替代方案。EMG通过在皮肤上放置金属电极来记录肌肉活动的电信号，但其分辨率较低且信号较弱，例如，多个肌肉纤维的信号可能会相互混合，导致难以识别特定肌肉纤维的贡献。相较之下，超声技术则能够穿透深层组织，提供更清晰的肌肉活动影像，具备较高的分辨率。
紧凑灵活：多层设计带来强大功能
Xu教授团队开发的超声设备具有紧凑、无线和低功耗的特点，核心包括三大组件：用于发送和接收超声波的单个换能器；自定义设计的无线电路，用于控制换能器、记录数据并将数据传输至计算机；以及一块锂聚合物电池，能够为系统提供至少三小时的持续电力。
该设备的创新亮点在于，利用单个超声换能器即可有效感知深层组织。换能器发出强度控制的超声波，捕捉携带丰富信息的射频信号，使设备能够实现高空间分辨率，从而对特定肌肉运动进行分离监测。研究人员还开发了一种人工智能算法，将这些信号映射到对应的肌肉分布中，能够准确识别手部特定的手势。
设备穿戴在肋骨上时，能够精确监测膈肌厚度，精度达亚毫米级。膈肌厚度是评估膈肌功能障碍和预测机械通气患者预后的重要临床指标。通过分析肌肉运动，研究人员还能够检测不同的呼吸模式，例如浅呼吸和深呼吸。这一功能或将帮助诊断与呼吸异常相关的疾病，例如哮喘、肺炎以及慢性阻塞性肺病（COPD）。在小规模的试验中，该设备能够区分出COPD患者与健康人群的呼吸模式。
前臂应用：手势识别助力人机交互
在前臂应用中，该设备可精确追踪手部和腕部的肌肉运动。得益于团队开发的人工智能算法，该系统能够从超声信号中识别出多种手势，系统识别的自由度达到13个，涵盖10个手指关节以及手腕的三个旋转角度，甚至能够捕捉到细微的手腕和手指动作。
在概念验证测试中，参与者将设备佩戴在前臂上，成功通过手势控制机器人手臂将水移入烧杯。在另一项展示中，参与者通过腕部动作控制虚拟游戏中鸟的飞行，穿越障碍物。这些演示展示了该技术在假肢控制、游戏和其他人机界面应用中的潜力。
未来，研究团队计划进一步提升该技术的准确性、便携性、能效以及计算能力。
参考文献
Gao, X., Chen, X., Lin, M. et al. A wearable echomyography system based on a single transducer. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01271-4
"怀长期主义，聊医工科技"
我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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