UCSD徐升團隊，最新Nature Biotechnology：超聲創可貼，實現24小時胎兒實時監測！

孕婦肚子上貼塊“超聲創可貼”，實現24小時胎兒實時監測！

傳統產檢中，超聲檢查一直是評估胎兒健康最重要的工具之一。但現實問題也很明顯：它高度依賴專業超聲醫生操作，而且檢查往往只是某個時間點的“快照”。對于胎兒缺氧、胎盤功能異常、胎兒生長受限等高危妊娠問題，很多危險變化可能發生在兩次檢查之間，從而錯過最佳干預窗口。尤其是在先兆子癇、妊娠高血壓等復雜妊娠中，胎兒血流狀態會動態變化，僅靠間斷檢測難以真正反映胎兒在子宮中的實時狀態。

近日，美國加州大學圣地亞哥分校的徐升教授聯合牛津大學Antoniya Georgieva教授開發出一種可穿戴胎兒超聲貼片（UPatch）。這是一種能夠貼附在孕婦腹部、實現連續實時胎兒監測的柔性超聲系統。該設備不僅能夠持續獲取胎兒解剖結構，還能自動追蹤臍帶血流與胎兒血流動力學變化，甚至無需專業超聲醫生手動操作。研究團隊已在62例妊娠中驗證其準確性，并進一步在52名孕婦中實現連續監測，成功區分健康妊娠與先兆子癇、胎兒發育異常等高風險狀態，為未來“全天候胎兒監護”打開了新方向。相關成果以“”發表在《Nature Biotechnology》上。Geonho Park, Yizhou Bian, Hao Huang, Sai Zhou為共同第一作者。

胎兒位于子宮深處，血流信號本來就弱，而胎兒和孕婦又會不斷運動，因此傳統可穿戴超聲設備很難穩定獲取清晰信號。為了解決這些問題，研究人員設計了全新的UPatch系統（圖1a）。整個設備像一塊柔軟的貼片，可以直接貼在孕婦腹部，通過雙模超聲成像持續觀察胎兒血管和血流變化。與普通超聲不同，它既能進行解剖成像，也能實時測量血流速度。為了提升深層胎兒血管的信號質量，研究團隊在硬件結構上做了多項創新。首先，他們采用“super multipass dicing”工藝加工壓電換能器，使換能單元更寬、間距更小，從而將信噪比提高了7.2 dB（圖1b）。同時，團隊還加入了特殊聲學透鏡，使超聲束聚焦更加精準，束寬縮小約25%，顯著提高了空間分辨率與多普勒血流靈敏度（圖1c）。此外，他們設計了柔性法拉第屏蔽結構，將電磁噪聲降低11.7 dB Hz?1（圖1d），從而避免外界電子設備干擾。整個貼片既柔軟又可彎曲，可以貼合孕婦腹部曲面，在彎折和包覆狀態下依然穩定工作（圖1e）。更重要的是，所有機械指數和熱指數都遠低于AIUM與BMUS連續超聲監測安全標準（圖1f），意味著它能夠長期安全運行。

圖1：展示UPatch可穿戴超聲貼片的整體結構與核心硬件設計

在完成設備設計后，團隊開始驗證UPatch是否真的能看清胎兒關鍵結構。研究人員重點觀察了胎兒循環系統中的三大關鍵區域：臍動脈、臍靜脈以及大腦中動脈（圖2a）。這些血管與胎盤供血、胎兒缺氧以及腦保護機制密切相關，是臨床判斷胎兒健康的重要指標。結果顯示，UPatch不僅能清晰成像臍帶中的兩根臍動脈和一根臍靜脈，還能準確定位胎兒腦部Willis環中的大腦中動脈（圖2b）。隨后，設備成功采集到了這些血管的血流速度波形（圖2c），說明它不僅“看得到”，還能“測得準”。研究團隊進一步將UPatch與醫院常用的GE臨床超聲設備進行正面對比。他們發現，無論是用于評估胎兒缺氧風險的腦胎盤比值（CPR）（圖2d），還是雙頂徑、頭圍、腹圍、股骨長度等胎兒生物學指標（圖2e），兩者測量結果都高度一致。隨后，研究人員又在62名孕婦中進行了系統驗證。通過Bland–Altman分析，他們發現UPatch測得的收縮舒張比、脈動指數、阻力指數以及胎心率，與臨床超聲設備幾乎沒有差異（圖2f）。換句話說，這塊柔性貼片已經具備接近專業臨床超聲的性能。

圖2：展示UPatch對胎兒關鍵血管與解剖結構的成像能力，并與臨床超聲設備進行定量對比驗證。

因為胎兒和臍帶會不斷移動，傳統超聲往往需要醫生持續手動調整探頭和采樣位置。為了解決這一難題，研究團隊引入了基于圖像分割的自動血管追蹤算法（圖3a）。該算法會持續分析連續超聲幀中的彩色多普勒變化，自動識別“搏動區域”，從而判斷哪部分是臍動脈，并自動將采樣門放置到最佳位置。整個過程完全實時進行，不需要人工干預。實驗結果非常直觀。在開啟自動追蹤后，UPatch能夠持續鎖定移動中的臍動脈，并穩定獲得連續血流波形（圖3b）。而如果關閉追蹤功能，僅使用固定采樣門，隨著胎兒移動，血流信號很快丟失（圖3c）。隨后，研究團隊將算法標記的位置與經驗豐富的超聲醫生進行雙盲比較（圖3d）。結果顯示，超過90%的采樣門誤差控制在2 mm以內（圖3e），而測得的收縮舒張比也與人工操作幾乎一致（圖3f）。更關鍵的是，相比傳統深度學習方法，這一算法處理速度提升了10倍以上，真正實現了實時追蹤。

圖3：展示基于圖像分割的自動血管追蹤算法

真正體現這項技術價值的，是后面的連續監測實驗。研究人員首先對一名健康孕婦和一名先兆子癇孕婦進行了長時間監測（圖4a）。UPatch持續記錄臍動脈血流，同時實時計算胎心率、脈動指數、阻力指數等參數。結果發現，兩名孕婦的胎心率模式看起來差異并不明顯（圖4b），甚至都能觀察到胎心加速現象（圖4c、4d）。但當研究人員進一步分析血流動力學參數時，差異開始變得非常明顯。健康孕婦的血流參數整體穩定，其脈動指數、阻力指數和收縮舒張比均接近正常參考范圍中位數。而先兆子癇患者則出現明顯異常：血流參數波動劇烈，24.9%的時間甚至出現舒張末期血流消失（Absent End-Diastolic Velocity），這意味著胎盤供血嚴重不足（圖4d）。她的脈動指數達到2.04，明顯高于97.5百分位，提示胎盤功能障礙十分嚴重。研究團隊指出，正是由于UPatch的連續監測，醫生及時意識到胎兒宮內發育受限風險，最終提前實施剖宮產，從而避免了更嚴重后果。

隨后，團隊又在52名孕婦中開展連續監測研究，涵蓋健康妊娠、小于胎齡兒（SGA）、大于胎齡兒（LGA）、妊娠糖尿病、先兆子癇以及妊娠高血壓等多種圍產期情況。結果發現，僅靠胎心率很難準確區分不同風險狀態（圖4h）。但脈動指數等血流動力學指標卻能明顯區分高風險妊娠（圖4i）。更重要的是，連續監測還能幫助醫生區分“短暫波動”和“持續異常”。因為傳統超聲只測一個時間點，很可能把短暫變化誤判為嚴重病理狀態；而UPatch則建立了每位孕婦自己的動態基線，從而更準確判斷真正危險的持續性異常。

圖4：展示UPatch在健康妊娠與先兆子癇妊娠中的連續監測結果，以及其區分不同高危妊娠狀態的能力。

展望

研究團隊最后指出，目前UPatch仍需要連接后端超聲主機，未來還需要進一步微型化與無線化。與此同時，研究人員也希望將其與母體血壓、血氧、宮縮監測乃至胎兒心電信號整合，形成真正意義上的“母胎一體化監測平臺”。隨著AI算法和大數據分析進一步發展，這類連續超聲監測系統有望幫助醫生更早發現胎兒缺氧、胎盤功能障礙等高危信號，從而降低腦癱、早產甚至死胎風險。對于高危妊娠管理來說，這或許意味著一種全新的時代：從“定期產檢”，走向“實時守護”。