UCSD徐升團(tuán)隊(duì)，最新Nature Biotechnology：超聲創(chuàng)可貼，實(shí)現(xiàn)24小時胎兒實(shí)時監(jiān)測！

孕婦肚子上貼塊“超聲創(chuàng)可貼”，實(shí)現(xiàn)24小時胎兒實(shí)時監(jiān)測！

傳統(tǒng)產(chǎn)檢中，超聲檢查一直是評估胎兒健康最重要的工具之一。但現(xiàn)實(shí)問題也很明顯：它高度依賴專業(yè)超聲醫(yī)生操作，而且檢查往往只是某個時間點(diǎn)的“快照”。對于胎兒缺氧、胎盤功能異常、胎兒生長受限等高危妊娠問題，很多危險變化可能發(fā)生在兩次檢查之間，從而錯過最佳干預(yù)窗口。尤其是在先兆子癇、妊娠高血壓等復(fù)雜妊娠中，胎兒血流狀態(tài)會動態(tài)變化，僅靠間斷檢測難以真正反映胎兒在子宮中的實(shí)時狀態(tài)。

近日，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的徐升教授聯(lián)合牛津大學(xué)Antoniya Georgieva教授開發(fā)出一種可穿戴胎兒超聲貼片（UPatch）。這是一種能夠貼附在孕婦腹部、實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時胎兒監(jiān)測的柔性超聲系統(tǒng)。該設(shè)備不僅能夠持續(xù)獲取胎兒解剖結(jié)構(gòu)，還能自動追蹤臍帶血流與胎兒血流動力學(xué)變化，甚至無需專業(yè)超聲醫(yī)生手動操作。研究團(tuán)隊(duì)已在62例妊娠中驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步在52名孕婦中實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，成功區(qū)分健康妊娠與先兆子癇、胎兒發(fā)育異常等高風(fēng)險狀態(tài)，為未來“全天候胎兒監(jiān)護(hù)”打開了新方向。相關(guān)成果以“”發(fā)表在《Nature Biotechnology》上。Geonho Park, Yizhou Bian, Hao Huang, Sai Zhou為共同第一作者。

胎兒位于子宮深處，血流信號本來就弱，而胎兒和孕婦又會不斷運(yùn)動，因此傳統(tǒng)可穿戴超聲設(shè)備很難穩(wěn)定獲取清晰信號。為了解決這些問題，研究人員設(shè)計了全新的UPatch系統(tǒng)（圖1a）。整個設(shè)備像一塊柔軟的貼片，可以直接貼在孕婦腹部，通過雙模超聲成像持續(xù)觀察胎兒血管和血流變化。與普通超聲不同，它既能進(jìn)行解剖成像，也能實(shí)時測量血流速度。為了提升深層胎兒血管的信號質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)在硬件結(jié)構(gòu)上做了多項(xiàng)創(chuàng)新。首先，他們采用“super multipass dicing”工藝加工壓電換能器，使換能單元更寬、間距更小，從而將信噪比提高了7.2 dB（圖1b）。同時，團(tuán)隊(duì)還加入了特殊聲學(xué)透鏡，使超聲束聚焦更加精準(zhǔn)，束寬縮小約25%，顯著提高了空間分辨率與多普勒血流靈敏度（圖1c）。此外，他們設(shè)計了柔性法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)，將電磁噪聲降低11.7 dB Hz?1（圖1d），從而避免外界電子設(shè)備干擾。整個貼片既柔軟又可彎曲，可以貼合孕婦腹部曲面，在彎折和包覆狀態(tài)下依然穩(wěn)定工作（圖1e）。更重要的是，所有機(jī)械指數(shù)和熱指數(shù)都遠(yuǎn)低于AIUM與BMUS連續(xù)超聲監(jiān)測安全標(biāo)準(zhǔn)（圖1f），意味著它能夠長期安全運(yùn)行。

圖1：展示UPatch可穿戴超聲貼片的整體結(jié)構(gòu)與核心硬件設(shè)計

在完成設(shè)備設(shè)計后，團(tuán)隊(duì)開始驗(yàn)證UPatch是否真的能看清胎兒關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。研究人員重點(diǎn)觀察了胎兒循環(huán)系統(tǒng)中的三大關(guān)鍵區(qū)域：臍動脈、臍靜脈以及大腦中動脈（圖2a）。這些血管與胎盤供血、胎兒缺氧以及腦保護(hù)機(jī)制密切相關(guān)，是臨床判斷胎兒健康的重要指標(biāo)。結(jié)果顯示，UPatch不僅能清晰成像臍帶中的兩根臍動脈和一根臍靜脈，還能準(zhǔn)確定位胎兒腦部Willis環(huán)中的大腦中動脈（圖2b）。隨后，設(shè)備成功采集到了這些血管的血流速度波形（圖2c），說明它不僅“看得到”，還能“測得準(zhǔn)”。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將UPatch與醫(yī)院常用的GE臨床超聲設(shè)備進(jìn)行正面對比。他們發(fā)現(xiàn)，無論是用于評估胎兒缺氧風(fēng)險的腦胎盤比值（CPR）（圖2d），還是雙頂徑、頭圍、腹圍、股骨長度等胎兒生物學(xué)指標(biāo)（圖2e），兩者測量結(jié)果都高度一致。隨后，研究人員又在62名孕婦中進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。通過Bland–Altman分析，他們發(fā)現(xiàn)UPatch測得的收縮舒張比、脈動指數(shù)、阻力指數(shù)以及胎心率，與臨床超聲設(shè)備幾乎沒有差異（圖2f）。換句話說，這塊柔性貼片已經(jīng)具備接近專業(yè)臨床超聲的性能。

圖2：展示UPatch對胎兒關(guān)鍵血管與解剖結(jié)構(gòu)的成像能力，并與臨床超聲設(shè)備進(jìn)行定量對比驗(yàn)證。

因?yàn)樘汉湍殠粩嘁苿樱瑐鹘y(tǒng)超聲往往需要醫(yī)生持續(xù)手動調(diào)整探頭和采樣位置。為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)引入了基于圖像分割的自動血管追蹤算法（圖3a）。該算法會持續(xù)分析連續(xù)超聲幀中的彩色多普勒變化，自動識別“搏動區(qū)域”，從而判斷哪部分是臍動脈，并自動將采樣門放置到最佳位置。整個過程完全實(shí)時進(jìn)行，不需要人工干預(yù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常直觀。在開啟自動追蹤后，UPatch能夠持續(xù)鎖定移動中的臍動脈，并穩(wěn)定獲得連續(xù)血流波形（圖3b）。而如果關(guān)閉追蹤功能，僅使用固定采樣門，隨著胎兒移動，血流信號很快丟失（圖3c）。隨后，研究團(tuán)隊(duì)將算法標(biāo)記的位置與經(jīng)驗(yàn)豐富的超聲醫(yī)生進(jìn)行雙盲比較（圖3d）。結(jié)果顯示，超過90%的采樣門誤差控制在2 mm以內(nèi)（圖3e），而測得的收縮舒張比也與人工操作幾乎一致（圖3f）。更關(guān)鍵的是，相比傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法，這一算法處理速度提升了10倍以上，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時追蹤。

圖3：展示基于圖像分割的自動血管追蹤算法

真正體現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)價值的，是后面的連續(xù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。研究人員首先對一名健康孕婦和一名先兆子癇孕婦進(jìn)行了長時間監(jiān)測（圖4a）。UPatch持續(xù)記錄臍動脈血流，同時實(shí)時計算胎心率、脈動指數(shù)、阻力指數(shù)等參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩名孕婦的胎心率模式看起來差異并不明顯（圖4b），甚至都能觀察到胎心加速現(xiàn)象（圖4c、4d）。但當(dāng)研究人員進(jìn)一步分析血流動力學(xué)參數(shù)時，差異開始變得非常明顯。健康孕婦的血流參數(shù)整體穩(wěn)定，其脈動指數(shù)、阻力指數(shù)和收縮舒張比均接近正常參考范圍中位數(shù)。而先兆子癇患者則出現(xiàn)明顯異常：血流參數(shù)波動劇烈，24.9%的時間甚至出現(xiàn)舒張末期血流消失（Absent End-Diastolic Velocity），這意味著胎盤供血嚴(yán)重不足（圖4d）。她的脈動指數(shù)達(dá)到2.04，明顯高于97.5百分位，提示胎盤功能障礙十分嚴(yán)重。研究團(tuán)隊(duì)指出，正是由于UPatch的連續(xù)監(jiān)測，醫(yī)生及時意識到胎兒宮內(nèi)發(fā)育受限風(fēng)險，最終提前實(shí)施剖宮產(chǎn)，從而避免了更嚴(yán)重后果。

隨后，團(tuán)隊(duì)又在52名孕婦中開展連續(xù)監(jiān)測研究，涵蓋健康妊娠、小于胎齡兒（SGA）、大于胎齡兒（LGA）、妊娠糖尿病、先兆子癇以及妊娠高血壓等多種圍產(chǎn)期情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅靠胎心率很難準(zhǔn)確區(qū)分不同風(fēng)險狀態(tài)（圖4h）。但脈動指數(shù)等血流動力學(xué)指標(biāo)卻能明顯區(qū)分高風(fēng)險妊娠（圖4i）。更重要的是，連續(xù)監(jiān)測還能幫助醫(yī)生區(qū)分“短暫波動”和“持續(xù)異常”。因?yàn)閭鹘y(tǒng)超聲只測一個時間點(diǎn)，很可能把短暫變化誤判為嚴(yán)重病理狀態(tài)；而UPatch則建立了每位孕婦自己的動態(tài)基線，從而更準(zhǔn)確判斷真正危險的持續(xù)性異常。

圖4：展示UPatch在健康妊娠與先兆子癇妊娠中的連續(xù)監(jiān)測結(jié)果，以及其區(qū)分不同高危妊娠狀態(tài)的能力。

展望

研究團(tuán)隊(duì)最后指出，目前UPatch仍需要連接后端超聲主機(jī)，未來還需要進(jìn)一步微型化與無線化。與此同時，研究人員也希望將其與母體血壓、血氧、宮縮監(jiān)測乃至胎兒心電信號整合，形成真正意義上的“母胎一體化監(jiān)測平臺”。隨著AI算法和大數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)展，這類連續(xù)超聲監(jiān)測系統(tǒng)有望幫助醫(yī)生更早發(fā)現(xiàn)胎兒缺氧、胎盤功能障礙等高危信號，從而降低腦癱、早產(chǎn)甚至死胎風(fēng)險。對于高危妊娠管理來說，這或許意味著一種全新的時代：從“定期產(chǎn)檢”，走向“實(shí)時守護(hù)”。