用于长期肌肉监测的可穿戴超声波技术扩展了人机界面的应用
加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发出了一种可穿戴超声波设备，可以长期无线监测肌肉活动，有望应用于医疗保健和人机界面。该设备采用一层粘合剂粘在皮肤上，由电池供电，无需侵入性手术即可高分辨率跟踪肌肉功能。加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系教授兼雅各布斯学院学者 Sheng Xu 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。这项研究是与加州大学圣地亚哥分校健康学院的肺病专家、重症监护专家和医学教授 Jinghong Li 合作完成的。
在测试中，该设备被佩戴在肋骨上，以监测膈肌运动和厚度，这对于评估呼吸系统健康非常有用。“通过跟踪膈肌活动，该技术可能为患有呼吸系统疾病的患者和依赖机械通气的患者提供支持，”该研究的合著者、爱同李玉峰家族化学和纳米工程系的杰出教授 Joseph Wang 表示。
此外，研究人员成功地利用前臂上的设备捕捉手部和腕部肌肉活动，从而可以将其用作人机界面来控制机械臂和玩虚拟游戏。
这种可穿戴超声波技术可能为目前的临床标准肌电图 (EMG) 提供一种有前途的新替代方案，肌电图涉及在皮肤上贴上金属电极来记录肌肉电活动。尽管肌电图已被长期使用，但它存在分辨率低和信号弱的问题。例如，来自多条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变得具有挑战性。
然而，超声波可以穿透深层组织，提供高分辨率成像，从而提供对肌肉功能的详细了解。徐团队及其合作者开发的超声波技术还具有紧凑、无线和低功耗等优势。
加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程专业博士生、这项研究的共同第一作者陈向军说：“这项技术可以被人们在日常生活中佩戴，进行持续、长期的监测。”
该设备装在一个柔性硅橡胶外壳内，由三个主要部件组成：一个用于发送和接收超声波的单个换能器；一个控制换能器、记录数据并将数据无线传输到计算机的定制无线电路；以及可以为系统供电至少三个小时的锂聚合物电池。
这项研究的一项关键创新是使用单个超声换能器有效感测深层组织。换能器发射强度控制的超声波并捕获携带丰富信息的射频信号，从而实现诸如测量膈肌厚度等临床应用。利用这些信号，该设备可以实现高空间分辨率，这对于隔离特定肌肉运动至关重要。
为了从这些信号中提取更多见解，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，使其能够高精度、可靠地从收集到的信号中识别特定的手势。
当佩戴在肋骨上时，该设备可以以亚毫米级的精度准确监测膈肌厚度。膈肌厚度是临床上用来评估膈肌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，例如浅呼吸和深呼吸。
此功能可帮助诊断与呼吸不规律相关的疾病，如哮喘、肺炎和慢性阻塞性肺病 (COPD)。在一项小组试验中，该设备成功区分了 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临床应用的潜力，”该研究的共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系的博士后研究员 Muyang Lin 说。
当佩戴在前臂上时，该设备可以精确跟踪手部和手腕的肌肉运动。得益于团队开发的人工智能算法，该系统能够仅从超声波信号中识别各种手势。该系统能够识别 13 个自由度，涵盖 10 个手指关节和 3 个手腕旋转角度。因此，它可以高灵敏度捕捉到哪怕是轻微的手腕和手指运动。
在概念验证测试中，参与者使用前臂上的设备来控制机械臂将水移入烧杯。在另一个演示中，他们使用该设备玩虚拟游戏，使用手腕运动来控制虚拟鸟穿越障碍物飞行。
“这些演示凸显了该技术在假肢、游戏和其他人机界面应用方面的潜力，”该研究的共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校 Aiiso Yufeng Li 家族化学和纳米工程系的博士生 Wentong Yue 说道。
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。
该论文的标题是“基于单个换能器的可穿戴超声肌动图系统”。
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