文 | 《中國科學報》見習記者 王兆昱
「95後」林沐陽做了5年的研究終於開花了。
這一全球首個全集成柔性可穿戴超聲系統，於5月22日登上Nature子刊Nature Biotechnology (影響因子68)。
林沐陽是美國加州大學聖地亞哥分校的博士生，師從該校徐升教授。他和導師分別為論文共同一作和通訊作者，另外還有兩個共一，分別是該校碩士生張子楊和博士後郜曉翔。從2018年最初研製出「柔性超聲傳感器」，到一步步集成、改進、優化，再到今天的成果問世，他們的每一步都走得很踏實。
其實，徐升團隊夢想很大，他們想做的是「改變世界」的學術。這篇論文發表後，有不少感興趣的專家前來詢問，考慮將該技術應用到臨床研究當中。一位教授甚至從美國東海岸的匹茲堡，飛越3800多公里，專程來到他們實驗室，只為親眼看看這個技術。
這項技術，或許開始影響我們的世界。
從有線到無線，可實時追蹤移動對象
徐升團隊開發的首個完全集成的柔性可穿戴超聲系統（Ultrasound-system-on-patch，USoP），名字看著挺複雜，但簡單說，就是佩戴在身上，用於監測移動的人體深層組織，從而感知人體生命體徵的微小裝置。
該系統包括一個小型化柔性控制電路，與超聲換能器陣列連接，用於信號預處理和無線數據通信；以及一套機器學習的算法，用來追蹤移動的組織目標並協助數據解釋。整個系統可以連續跟蹤來自164毫米深的組織的生理信號。在不斷移動的受試者身上，它可以連續監測生理信號，包括中心血壓、心率和心輸出量，時間長達12小時。
論文成果於5月22日發表於Nature子刊 標題譯為：《用於監測移動被試者深層組織的全集成可穿戴式超聲系統》
想要弄清楚這個系統到底是什麼，需要從這三個關鍵詞入手：完全集成、超聲、移動。
通俗來講，「完全集成」可以理解為無線。我們常見的醫院超聲波檢查（如B超），往往由一根線纜連著大型設備，病人接受檢查時需要保持不動。而徐升團隊做了一個全集成的系統，將前端的傳感器與後端的電路集成在一起，做成一個小小的貼片，不足一張信用卡大小。它「甩掉」了線纜的束縛，無需依賴其它外部設備，可以獨立完成所有功能。在應用場景中，使用者可以把這個完全集成的系統穿在身上，「走到哪測到哪」，這大大提升了超聲監測設備的使用便捷性。
你可能會問：市面上已有的健康監測手環、智能手錶不是也能「走到哪測到哪」嗎？為什麼還要費勁發明USoP系統呢？這就要聊到第二個關鍵詞「超聲」。
目前主流的健康監測設備普遍基於電傳感或光傳感，只能監測到淺層（皮下幾毫米）小血管的跳動，用以推斷血壓或心率的數據。而徐升團隊為可穿戴設備提供了一個新的方案，即使用超聲傳感器。其最大優勢是可以測到深層組織（皮下164毫米）的狀況，可以測到更多器官，收集到更多細節，這突破了蘋果、華為等大公司一直很想突破、卻未能突破的技術壁壘。
除了「完全集成」和「超聲」，USoP系統還有一個特點，即可以實時追蹤「移動」的對象。當傳感器貼在人體上時，隨著人體正常的生理活動，皮下的深層組織也會「隨之動起來」，為了能夠實時追蹤移動的深層組織，團隊應用人工智慧，開發出了一個軟體。「我們設備的一個重要應用是檢測中心血壓，中心血壓主要是針對人體大動脈進行測量，比如頸動脈，它的活動度其實是非常大的，平時頭部和脖子的各種動作都會引起頸動脈的位移，」林沐陽說，「我們應用了一套先進的深度學習算法，可以實現自動追蹤，保證運動中的對象都被測到。」
「小小」的貼片，「大大」的功能
就是這麼一個「小小」的貼片，能實現「大大」的功能。比起醫院中的大型醫療設備，USoP系統更加輕便；比起市面上的流行產品，它的功能又更加強大，可謂將高端的技術、強大的功能、便捷的使用，都結合在了一起。
從實驗室到臨床，有望推動醫療物聯網
據林沐陽介紹，論文的三個共同一作分工比較明確。「我主要負責傳感器和電路的設計，以及整體上的實驗構思，設計完硬體之後再去驗證這個系統。」碩士生張子楊負責開發機器學習追蹤的算法；博士後郜曉翔則負責協助林沐陽，並在實驗過程中收集數據。
「我們這項工作整體的周期很長，持續了大概5年，經歷了不斷的討論和提升。」林沐陽告訴《中國科學報》。
一開始，課題組只是想做一個無線測血壓的裝置，後來逐漸在開發過程中，發現這套系統的功能性很強。「我們更願意把它叫做一種平台技術。設計這套系統之後，我們可以更換不同的傳感器來測不同地方，如頸動脈、心臟、橫膈膜等，去適應不同的醫療需求。」林沐陽說。
加州大學聖地亞哥分校博士生林沐陽
事實上，這項成果從來不是實驗室里的「閉門造車」，它可謂取之於「醫」、用之於「醫」。在論文的三十餘位共同作者中，不乏專業醫生的身影，他們根據自己的臨床經驗，給課題組提供了許多直觀的反饋和建議。
在與專業醫生的交流中，徐升他們了解到，無論在美國還是國內，傳統的超聲檢查都非常依賴醫生的經驗和手法，需要經過專業培訓的醫師手持探頭，人工操作完成對病人的檢查，並且是有線連接大型設備。而USoP系統打破了傳統超聲波測量的「桎梏」。「我們想省去人工操作，讓醫療數據的採集和分析實現完全自動化，直接出具診斷結果。未來如果投入臨床使用，可以大量節省人力和物力，提高診斷效率。」林沐陽說。
未來，隨著無線通信技術的疊代發展，醫療設備和器件將越來越智能化、聯網化。依賴人工智慧，USoP系統可以廣泛地應用到病人身上，收集人體各方面的大量數據，建立起每位病人的「專屬資料庫」；還能分析不同生理數據之間的關聯，比如該病人的年齡、病史、心臟數據和主要動脈數據之間的關聯，真正實現醫療領域的「物物相聯」。
未來將是智能醫療物聯網的時代
想像一下，在未來，只要把傳感器分發給患者、術後人群以及一些高危人群，就可以讓他們不用去醫院，也能進行持續檢測，隨時隨地、更早地發現病症；而所有傳感數據都將被匯總到一起，進行分析，從而得到更多、更準確的診療結論。整個過程依賴於無線傳輸和機器學習，可實現智能化、自動化診斷，以及所有健康數據的互聯與保存。
想做改變世界的學術
「我們的願望是研發改變世界的技術。」徐升笑著說。事實上，用於醫療檢測的可穿戴式超聲系統已經慢慢形成一個獨特的研究領域，呈現燎原之勢。
同樣在做此類研究的還有麻省理工學院（MIT）教授趙選賀團隊。2022年7月，趙選賀團隊在Science發表研究論文，展示了一款郵票大小的超聲波貼片，可以貼在皮膚上，連續48小時提供人體內部器官的超聲波成像。
趙選賀團隊2022年發表Science論文 標題為《用於不同器官長期連續成像的生物粘附性超聲系統》
這篇論文的一作王沖和，曾經是徐升實驗室的碩士生。他的個人能力很強，曾在碩士期間以第一作者身份在Nature Biomedical Engineering上，發表過兩篇論文。碩士畢業後，王沖和輾轉去到MIT趙選賀實驗室讀博。
「趙選賀教授團隊是通過不同的技術路線實現相似的目的。他們是把一個硬質超聲探頭放在一塊軟膠上面，而我們是直接把探頭做成了柔性，這是我們的一個主要區別。」徐升告訴《中國科學報》，「目前MIT還有另一個課題組也在做類似的工作，還有史丹福大學、約翰霍普金斯大學、等美國高校，包括國內一些機構也在做類似的工作。」對于越來越多的研究者加入這個領域，徐升對未來充滿了期待：「星星之火，可以燎原。」
徐升 現任加州大學聖地亞哥分校副教授和雅閣布教授學者
隨著學術上的「開疆拓土」，這項成果的市場化前景也越來越明朗。自論文發表後，有不少感興趣的專家前來實驗室詢問，考慮將該技術應用到臨床研究上以及產品化。
「我們剛剛接待了一位匹茲堡大學的教授，他從美國東海岸飛越3800多公里，專程來到我們實驗室，只為親身體驗我們的技術，並準備開展後續合作。」徐升告訴《中國科學報》。而他本人創立於2020年的公司Softsonics（意為「柔性超速」）也計劃未來將該技術推向市場。據徐升透露，Softsonics目前已經拿到美國國立衛生研究院（NIH）的政府投資，基本完成種子輪融資，並不斷壯大團隊，其合作者均為領域內的精英。
徐升實驗室團隊合影
在採訪中，徐升有感而發：「一個人其實很渺小，但如果所做的事情能夠影響到別人，幫助別人解決一些問題，那這就是我人生的意義。」
徐升的這種想法也實實在在地影響到了他的學生。「從我2017年底來美國交換，認識徐老師5年多了。他是我們組工作最努力的人，他的這份努力和堅持是課題組不斷發展的原動力。」林沐陽對記者說，「大家都願意把自己奉獻給科研事業，儘量做到自己的最好，來推動這個領域和醫療行業的發展。」
在博士畢業後，林沐陽打算回國任職大學老師，「如果我以後做教職，我也要像徐老師一樣，將自己百分百的精力和熱情都奉獻給課題組和學生。」