研究人员开发了一种便携式智能超声波监测器，用于肌肉监测。该设备可以通过环氧树脂附着在身体上，并由小型电源供电，该系统能够远程捕捉高分辨率的身体运动图像，实现稳定的长期监测。当佩戴在胸部时，它主要监测膈肌的工作，以进行呼吸健康分析。当佩戴在肩部时，它有效记录手势，使人们能够使用机器人手臂和玩在线游戏。这种新技术在人机接口和更常规的机械控制肌肉功能受影响的条件护理方面具有潜在应用。
加利福尼亚大学圣迭戈分校的工程师们创建了一种智能声纳设备，具有医学和人机接口的潜在程序。该系统能够在不需要侵入性程序的情况下，超高分辨率地跟踪身体工作，因为它能够用一层环氧树脂附着在身体上并使用电池。
加利福尼亚大学圣迭戈分校Aiiso Yufeng Li家族化学和纳米工程系的一个研究团队，在医生和雅各布斯教职员工Sheng Xu的带领下，于10月31日在《自然电子学》上发表了他们的研究成果。该任务涉及加利福尼亚大学圣迭戈健康中心的内科教授、心脏病专家、重症监护专家和书籍作者Jinghong Li。
为了跟踪膜的运动和质地，这些参数对于判断呼吸健康至关重要，测试时系统佩戴在肋骨上。根据Aiiso Yufeng Li家族化学和纳米工程系的杰出教师、该评论的合著者Joseph Wang的说法，“这些系统可能会帮助呼吸有问题的患者和依赖机械通气的患者。”
此外，该设备记录手部和腕部肌肉活动的能力使其能够作为控制机器人手臂和玩虚拟游戏的人机接口。
这种可穿戴的超声波技术可能为传统的肌电图（EMG）技术提供一个有希望的替代方案，后者需要将金属电极贴在皮肤上以测量肌肉电活动。尽管EMG技术使用已久，但它的分辨率低且信号微弱。例如，很难分离特定肌肉纤维的贡献，因为来自几种不同肌肉纤维的信号常常混合在一起。
然而，超声波通过穿透深层组织提供高分辨率成像，提供对肌肉功能的详细洞察。Xu的团队及其合作伙伴开发的超声波技术还有其他优点，如紧凑、无线和低功耗。“这项技术可能会被个人在日常活动中佩戴，实现持续的长期监测，” 研究共同第一作者、加利福尼亚大学圣迭戈分校材料科学与工程项目的博士生Xiangjun Chen表示。
该系统的主要组成部分包括用于发送和接收超声波的单个传感器、自定义设计的无线电路控制传感器、记录数据并将数据无线传输到计算机，以及至少可以持续三小时的锂聚合物电池。
本研究的关键创新是有效利用单个超声波传感器。该传感器生成经过强度控制的超声波射频信号，为临床应用提供有价值的信息，例如测量膈肌的厚度。利用这些信号，该设备能够实现高空间分辨率，这是隔离特定肌肉运动的关键。研究人员创建了一种人工智能算法，能够从收集到的信号中准确、可靠地识别精确的手势，以提取这些信号的新见解。
当佩戴在肋骨上时，该设备可以以亚毫米的精度准确测量膈肌的厚度。在临床中，膈肌厚度用于评估膈肌功能障碍和预测通气条件下患者的预后。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，如浅呼吸和深呼吸。这种能力可以帮助诊断喘息、肺炎和慢性阻塞性肺病（COPD）等呼吸问题。在一项小组试验中，该设备成功地将COPD患者的呼吸模式与健康参与者的模式分离开来。
加利福尼亚大学圣迭戈分校Aiiso Yufeng Li家族化学和纳米工程系的博士后研究员Muyang Lin表示：“这证明了该技术在呼吸护理中临床应用的潜力。”
当该设备佩戴在前臂上时，手腕和手部运动被精确跟踪。团队开发的人工智能算法使系统仅能从超声波信号中识别不同的手势。手腕的13种不同自由度由10个手指关节和三个旋转组成。因此，它可以以高敏感性捕捉到微小的手腕和手指运动。
在概念验证测试中，参与者在前臂上敲击机器人手臂，将水引入烧杯。在另一项演示中，他们使用该设备玩虚拟游戏，通过手腕动作控制虚拟鸟飞行穿越障碍。“这些演示强调了该技术在假肢、游戏和其他人机接口应用中的潜力，”研究共同第一作者、加利福尼亚大学圣迭戈分校Aiiso Yufeng Li家族化学和纳米工程系博士生Wentong Yue表示。
未来，研究人员计划提高该技术的准确性、便携性、能效和计算能力。
