動いている被験者のワイヤレス超音波モニタリングにおける大きな進歩

カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアチームは、外出先の被験者を含む深部組織モニタリングのための、初の完全統合型ウェアラブル超音波システムを開発しました。 これにより、命を救う可能性のある心血管モニタリングが容易になり、世界有数のウェアラブル超音波検査施設の 1 つにとって大きな進歩となります。 この論文「移動する被験者の深部組織を監視するための完全に統合されたウェアラブル超音波システム」は、Nature Biotechnology 2023 年 5 月 22 日号に掲載されます。

「このプロジェクトは、ウェアラブル超音波技術に完全なソリューションを提供します。ウェアラブル センサーだけでなく、制御電子機器もウェアラブル フォーム ファクターで作られています」と、Muyang Lin 博士は述べています。 カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノ工学科の候補者であり、この研究の筆頭著者。 「私たちは、深部組織のバイタルサインをワイヤレスで感知できる真のウェアラブルデバイスを作りました。」

深部組織モニタリング用のウェアラブル超音波システムオンパッチ。 カリフォルニア大学サンディエゴ校ジェイコブス工学部の Muyang Lin による写真。 フルサイズのギャラリー。

この研究は、カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブズ工学大学院のナノエンジニアリング教授であり、この研究の責任著者である Sheng Xu の研究室から生まれました。

この完全に統合された自律ウェアラブル超音波システムオンパッチ (USoP) は、ソフト超音波センサー設計における研究室の以前の研究に基づいています。 しかし、これまでのソフト超音波センサーはすべて、データと電力の伝送にテザリング ケーブルを必要とし、ユーザーの機動性を大きく制限していました。 この研究では、超音波トランスデューサ アレイと通信してデータを無線で収集および送信する、小型で柔軟な制御回路が含まれています。 機械学習コンポーネントは、データを解釈し、動いている被写体を追跡するのに役立ちます。

研究室の研究結果によると、超音波システムオンパッチにより、深さ164 mmの組織からの生理学的信号を継続的に追跡でき、中心血圧、心拍数、心拍出量、その他の生理学的信号を連続して最大12時間測定できるという。時間。

「このテクノロジーには、命を救い、改善する多くの可能性があります」とリン氏は語った。 「このセンサーは、運動中の心血管機能を評価できます。安静時または運動中の血圧と心拍出量の異常な値は、心不全の特徴です。健康な人の場合、当社のデバイスは運動に対する心血管反応をリアルタイムで測定できるため、洞察が得られます」各人が発揮する実際のトレーニング強度を把握し、個人に合わせたトレーニング計画の策定に役立てることができます。」

超音波システム オン パッチは、インターネット オブ メディカル シングス (IoMT) の開発における画期的な進歩でもあります。IoMT は、インターネットに接続された医療機器のネットワークを指し、コンピューティング、分析、専門家向けに生理学的信号をクラウドにワイヤレスで送信します。診断。

過去数十年にわたる技術の進歩と臨床医の懸命な努力のおかげで、超音波に対する関心は継続的に高まっており、徐研究室は、特にウェアラブル超音波分野における初期の永続的なリーダーとして最初によく名前が挙がります。 。 この研究室は、据え置き型およびポータブル型のデバイスを伸縮可能かつウェアラブルにし、医療モニタリングの全体像に変革をもたらしました。 その強みの一部は、臨床医との緊密な連携にあります。 「私たちはエンジニアですが、臨床医が直面する医学的問題を知っています」とリン氏は言う。 「私たちは臨床協力者と緊密な関係を築いており、常に彼らから貴重なフィードバックを得ています。この新しいウェアラブル超音波技術は、臨床現場におけるバイタルサインモニタリングの多くの課題に対処する独自のソリューションです。」

最新のイノベーションの開発中に、チームは当初の予想よりも多くの機能があることに気づき驚きました。

「このプロジェクトの最初の段階で、私たちはワイヤレス血圧センサーを構築することを目指していました」とリン氏は言います。 「その後、回路を作成し、アルゴリズムを設計し、臨床上の洞察を収集する中で、このシステムは心拍出量、動脈硬化、呼気量など、血圧よりも多くの重要な生理学的パラメーターを測定できると考えました。これらは日常の健康管理や病院内のモニタリングに不可欠なパラメータです。」

さらに、被験者が動いている場合、ウェアラブル超音波センサーと組織ターゲットとの間に相対的な動きがあり、移動ターゲットを追跡するためにウェアラブル超音波センサーを手動で頻繁に再調整する必要があります。 この研究でチームは、受信信号を自動的に分析し、移動するターゲットを追跡するために最適なチャネルを選択する機械学習アルゴリズムを開発しました。

ただし、ある被験者のデータを使用してアルゴリズムがトレーニングされた場合、その学習を他の被験者に適用できない可能性があり、結果が一貫性がなく信頼性が低くなります。

「最終的には、高度な適応アルゴリズムを適用することで、機械学習モデルの一般化を機能させることができました」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校コンピューターサイエンス工学部の修士課程の学生であり、この論文の共同筆頭著者である Ziyang Zhang 氏は述べています。 「このアルゴリズムは、異なる被験者間のドメイン分布の不一致を自動的に最小限に抑えることができます。これは、機械知能を被験者から被験者へと転送できることを意味します。私たちは、最小限の再トレーニングで、1 つの被験者でアルゴリズムをトレーニングし、それを他の多くの新しい被験者に適用できます。」

今後、センサーはより多くの人々の間でテストされる予定です。 カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノ工学科の博士研究員で、この研究の共同筆頭著者であるシャオシアン・ガオ氏は、「これまでのところ、少数だが多様な集団でデバイスの性能を検証しただけだ」と述べた。 「私たちはこの装置を次世代の深部組織モニタリング装置として構想しており、臨床試験が次のステップとなります。」

Xu 氏は、この技術の商業化を計画している Softsonics, LLC の共同創設者です。

論文: 「移動する被験者の深部組織を監視するための、完全に統合されたウェアラブル超音波システム」 共著者には、UC サンディエゴ校ナノエンジニアリング学部 Muyang Lin* が含まれます。 Ziyang Zhang*、カリフォルニア大学サンディエゴ校コンピュータサイエンス工学部、 Xiaoxiang Gao*、Yizhou Bian、Ray S. Wu、Geonho Park、Zhiyuan Lou、カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノエンジニアリング学科。 Zhuorui Zhang、マサチューセッツ工科大学機械工学科、 Xiangchen Xu、カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノエンジニアリング学部、 Xiangjun Chen、材料科学工学プログラム、カリフォルニア大学サンディエゴ校、 アンドレア・カン、カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピュータ工学科、 ヤン・シンイー、カリフォルニア大学サンディエゴ校材料科学工学プログラム、 カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノエンジニアリング学部、Wentong Yu 氏と Lu ying 氏。 Chonghe Wang、マサチューセッツ工科大学機械工学科、 Baiyan Qi 氏と Sai Zhou 氏、材料科学工学プログラム、カリフォルニア大学サンディエゴ校。 カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノエンジニアリング学科、Hongjie Hu 氏と Hao Huang 氏。 Mohan Li、カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピュータ工学科、 Yue Gu、カリフォルニア大学サンディエゴ校材料科学工学プログラム、イェール大学脳神経外科。 Jing Mu、材料科学工学プログラム、カリフォルニア大学サンディエゴ校、 アルバート・ヤン、カリフォルニア大学サンディエゴ校生物工学部、 カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノエンジニアリング学部、Amer Yaghi 氏と Yimu Chen 氏。 Yusheng Lei、カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノ工学科、スタンフォード大学化学工学科。 Chengchangfeng Lu、カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピュータ工学科、 Ruotao Wang 氏と Joseph Wang 氏、カリフォルニア大学サンディエゴ校ナノエンジニアリング学部、 Shu Xiang、ソフトソニックス LLC、サンディエゴ; エリック・B・キスラー、カリフォルニア大学サンディエゴ校、生物工学科および麻酔科および救命救急科。 Nuno Vasconcelos、カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピュータ工学科、 カリフォルニア大学サンディエゴ校、ナノエンジニアリング学科、電気コンピュータ工学科、材料科学工学プログラムおよび生物工学科の Sheng Xu** 氏。 カリフォルニア大学サンディエゴ校医学部放射線科; およびソフトソニックス株式会社

*これらの著者は均等に貢献しました。

**対応する著者

この研究は、契約番号 FA8650-18-2-5402 に基づく空軍研究所 (AFRL) および国立衛生研究所 (NIH) (助成金番号 1 R01 EB033464-01) によって部分的に支援されました。

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