作者:王兆昱 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/6/15 20:31:03
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全球首个!“95后”中国博士生历时5年完成,计划回国执教

 

“95后”林沐阳做了5年的研究终于开花了。

这一全球首个全集成柔性可穿戴超声系统,于5月22日登上Nature子刊Nature Biotechnology (影响因子68)。

林沐阳是美国加州大学圣地亚哥分校的博士生,师从该校徐升教授。他和导师分别为论文共同一作和通讯作者,另外还有两个共一,分别是该校硕士生张子杨和博士后郜晓翔。从2018年最初研制出“柔性超声传感器”,到一步步集成、改进、优化,再到今天的成果问世,他们的每一步都走得很踏实。

其实,徐升团队梦想很大,他们想做的是“改变世界”的学术。这篇论文发表后,有不少感兴趣的专家前来询问,考虑将该技术应用到临床研究当中。一位教授甚至从美国东海岸的匹兹堡,飞越3800多公里,专程来到他们实验室,只为亲眼看看这个技术。

这项技术,或许开始影响我们的世界。

从有线到无线,可实时追踪移动对象

徐升团队开发的首个完全集成的柔性可穿戴超声系统(Ultrasound-system-on-patch,USoP),名字看着挺复杂,但简单说,就是佩戴在身上,用于监测移动的人体深层组织,从而感知人体生命体征的微小装置。

该系统包括一个小型化柔性控制电路,与超声换能器阵列连接,用于信号预处理和无线数据通信;以及一套机器学习的算法,用来追踪移动的组织目标并协助数据解释。整个系统可以连续跟踪来自164毫米深的组织的生理信号。在不断移动的受试者身上,它可以连续监测生理信号,包括中心血压、心率和心输出量,时间长达12小时。 

论文成果于5月22日发表于Nature子刊 标题译为:《用于监测移动被试者深层组织的全集成可穿戴式超声系统》

 

想要弄清楚这个系统到底是什么,需要从这三个关键词入手:完全集成、超声、移动。

通俗来讲,“完全集成”可以理解为无线。我们常见的医院超声波检查(如B超),往往由一根线缆连着大型设备,病人接受检查时需要保持不动。而徐升团队做了一个全集成的系统,将前端的传感器与后端的电路集成在一起,做成一个小小的贴片,不足一张信用卡大小。它“甩掉”了线缆的束缚,无需依赖其它外部设备,可以独立完成所有功能。在应用场景中,使用者可以把这个完全集成的系统穿在身上,“走到哪测到哪”,这大大提升了超声监测设备的使用便捷性。

你可能会问:市面上已有的健康监测手环、智能手表不是也能“走到哪测到哪”吗?为什么还要费劲发明USoP系统呢?这就要聊到第二个关键词“超声”。

目前主流的健康监测设备普遍基于电传感或光传感,只能监测到浅层(皮下几毫米)小血管的跳动,用以推断血压或心率的数据。而徐升团队为可穿戴设备提供了一个新的方案,即使用超声传感器。其最大优势是可以测到深层组织(皮下164毫米)的状况,可以测到更多器官,收集到更多细节,这突破了苹果、华为等大公司一直很想突破、却未能突破的技术壁垒。

除了“完全集成”和“超声”,USoP系统还有一个特点,即可以实时追踪“移动”的对象。当传感器贴在人体上时,随着人体正常的生理活动,皮下的深层组织也会“随之动起来”,为了能够实时追踪移动的深层组织,团队应用人工智能,开发出了一个软件。“我们设备的一个重要应用是检测中心血压,中心血压主要是针对人体大动脉进行测量,比如颈动脉,它的活动度其实是非常大的,平时头部和脖子的各种动作都会引起颈动脉的位移,”林沐阳说,“我们应用了一套先进的深度学习算法,可以实现自动追踪,保证运动中的对象都被测到。”

“小小”的贴片,“大大”的功能

就是这么一个“小小”的贴片,能实现“大大”的功能。比起医院中的大型医疗设备,USoP系统更加轻便;比起市面上的流行产品,它的功能又更加强大,可谓将高端的技术、强大的功能、便捷的使用,都结合在了一起。

从实验室到临床,有望推动医疗物联网

据林沐阳介绍,论文的三个共同一作分工比较明确。“我主要负责传感器和电路的设计,以及整体上的实验构思,设计完硬件之后再去验证这个系统。”硕士生张子杨负责开发机器学习追踪的算法;博士后郜晓翔则负责协助林沐阳,并在实验过程中收集数据。

“我们这项工作整体的周期很长,持续了大概5年,经历了不断的讨论和提升。”林沐阳告诉《中国科学报》。

一开始,课题组只是想做一个无线测血压的装置,后来逐渐在开发过程中,发现这套系统的功能性很强。“我们更愿意把它叫做一种平台技术。设计这套系统之后,我们可以更换不同的传感器来测不同地方,如颈动脉、心脏、横膈膜等,去适应不同的医疗需求。”林沐阳说。

加州大学圣地亚哥分校博士生林沐阳

事实上,这项成果从来不是实验室里的“闭门造车”,它可谓取之于“医”、用之于“医”。在论文的三十余位共同作者中,不乏专业医生的身影,他们根据自己的临床经验,给课题组提供了许多直观的反馈和建议。

在与专业医生的交流中,徐升他们了解到,无论在美国还是国内,传统的超声检查都非常依赖医生的经验和手法,需要经过专业培训的医师手持探头,人工操作完成对病人的检查,并且是有线连接大型设备。而USoP系统打破了传统超声波测量的“桎梏”。“我们想省去人工操作,让医疗数据的采集和分析实现完全自动化,直接出具诊断结果。未来如果投入临床使用,可以大量节省人力和物力,提高诊断效率。”林沐阳说。

未来,随着无线通信技术的迭代发展,医疗设备和器件将越来越智能化、联网化。依赖人工智能,USoP系统可以广泛地应用到病人身上,收集人体各方面的大量数据,建立起每位病人的“专属数据库”;还能分析不同生理数据之间的关联,比如该病人的年龄、病史、心脏数据和主要动脉数据之间的关联,真正实现医疗领域的“物物相联”。

未来将是智能医疗物联网的时代

想象一下,在未来,只要把传感器分发给患者、术后人群以及一些高危人群,就可以让他们不用去医院,也能进行持续检测,随时随地、更早地发现病症;而所有传感数据都将被汇总到一起,进行分析,从而得到更多、更准确的诊疗结论。整个过程依赖于无线传输和机器学习,可实现智能化、自动化诊断,以及所有健康数据的互联与保存。

想做改变世界的学术

“我们的愿望是研发改变世界的技术。”徐升笑着说。事实上,用于医疗检测的可穿戴式超声系统已经慢慢形成一个独特的研究领域,呈现燎原之势。

同样在做此类研究的还有麻省理工学院(MIT)教授赵选贺团队。2022年7月,赵选贺团队在Science发表研究论文,展示了一款邮票大小的超声波贴片,可以贴在皮肤上,连续48小时提供人体内部器官的超声波成像。

赵选贺团队2022年发表Science论文 标题为《用于不同器官长期连续成像的生物粘附性超声系统》

 

这篇论文的一作王冲和,曾经是徐升实验室的硕士生。他的个人能力很强,曾在硕士期间以第一作者身份在Nature Biomedical Engineering上,发表过两篇论文。硕士毕业后,王冲和辗转去到MIT赵选贺实验室读博。

“赵选贺教授团队是通过不同的技术路线实现相似的目的。他们是把一个硬质超声探头放在一块软胶上面,而我们是直接把探头做成了柔性,这是我们的一个主要区别。”徐升告诉《中国科学报》,“目前MIT还有另一个课题组也在做类似的工作,还有斯坦福大学、约翰霍普金斯大学、哥伦比亚大学等美国高校,包括国内一些机构也在做类似的工作。”对于越来越多的研究者加入这个领域,徐升对未来充满了期待:“星星之火,可以燎原。”

徐升 现任加州大学圣地亚哥分校副教授和雅阁布教授学者

随着学术上的“开疆拓土”,这项成果的市场化前景也越来越明朗。自论文发表后,有不少感兴趣的专家前来实验室询问,考虑将该技术应用到临床研究上以及产品化。

“我们刚刚接待了一位匹兹堡大学的教授,他从美国东海岸飞越3800多公里,专程来到我们实验室,只为亲身体验我们的技术,并准备开展后续合作。”徐升告诉《中国科学报》。而他本人创立于2020年的公司Softsonics(意为“柔性超速”)也计划未来将该技术推向市场。据徐升透露,Softsonics目前已经拿到美国国立卫生研究院(NIH)的政府投资,基本完成种子轮融资,并不断壮大团队,其合作者均为领域内的精英。

徐升实验室团队合影

在采访中,徐升有感而发:“一个人其实很渺小,但如果所做的事情能够影响到别人,帮助别人解决一些问题,那这就是我人生的意义。”

徐升的这种想法也实实在在地影响到了他的学生。“从我2017年底来美国交换,认识徐老师5年多了。他是我们组工作最努力的人,他的这份努力和坚持是课题组不断发展的原动力。”林沐阳对记者说,“大家都愿意把自己奉献给科研事业,尽量做到自己的最好,来推动这个领域和医疗行业的发展。”

在博士毕业后,林沐阳打算回国任职大学老师,“如果我以后做教职,我也要像徐老师一样,将自己百分百的精力和热情都奉献给课题组和学生。”

信息来源:

1.https://www.eurekalert.org/news-releases/989892

2.https://www.nature.com/articles/s41587-023-01800-0 

3.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542

4.https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_21696197 

*本文图片除论文截图外,均为受访者提供

 
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