医疗健康行业正从医院间断式诊断，转向以人为中心的连续个性化慢病管理。可穿戴超声凭借无辐射、可深部组织成像、支持长期贴肤动态监测的独特优势，成为行业研究热点。
近日，中国科学院空天信息创新研究院联合解放军总医院、北京大学人民医院、国家癌症中心等多家机构团队，在期刊Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇综述文章，系统拆解了可穿戴超声系统的三大核心支柱——共形换能器、微型化硬件与智能算法，并全面梳理了其在心血管连续监测中的临床应用现状与现存挑战。可穿戴超声系统技术架构：由三大相互支撑板块构成 —— 换能器、硬件、算法，三者协同支撑各类心血管监测应用可穿戴超声不只是把传统台式超声做小。柔性探头会随身体变形、日常活动容易产生信号干扰，再加上穿戴设备对功耗、体积有着严格限制，这些都是传统超声未曾遇到的工程难点。整套设备必须依靠共形换能器、微型硬件、智能算法三部分紧密配合，才能稳定工作。换能器是整套设备的信号入口，直接决定超声穿透深度与信号信噪比。文章将其拆解为压电核心、声学配套层、机械电气三大子系统，对比五大主流压电材料路线优劣：柔性超声换能器层级结构与主流压电材料微观扫描电镜（SEM）图像1.压电陶瓷与单晶（PZT、PMN-PT）：压电系数、能量转换效率优异，成像深度表现最优。其中PMN-PT单晶的压电系数可超过2000 pC/N。但质地坚硬、声阻抗（约30~35 MRayl）与人体软组织（约1.5 MRayl）差距极大，且多数含铅，必须通过切割减薄或复合工艺实现柔性改造。2.无铅压电陶瓷（BZT-BCT、KNN）：不含铅，解决生物毒性问题，综合压电性能接近传统PZT，但材料居里温度偏低，高温下性能衰减，批量生产时成分均匀性难以把控，目前还未大规模商用落地。3.PVDF 压电聚合物：质地柔软、声阻抗（约4 MRayl）与皮肤匹配良好，可纺织融入衣物，但压电输出较弱（d33约10~30 pC/N），需多层堆叠提升信号强度。4.1-3型压电复合材料：采用“切割-填充”工艺，将压电陶瓷柱阵列嵌入柔性环氧基体，有效压电耦合系数可达0.6~0.8，兼顾高声学性能与柔韧性，是目前柔性超声贴片的主流选材。5.MEMS微型超声器件（PMUT/CMUT）：基于晶圆微加工，体积极致小巧。其中PMUT驱动电压低、可与CMOS芯片单片集成，适配低功耗穿戴场景；CMUT成像带宽更宽，但工作需要数十至数百伏高压，电源管理设计难度高。除压电核心外，论文详细阐释了声学匹配层、背衬层、长效耦合介质的设计逻辑：匹配层按四分之一波长设计，消除声波界面反射；背衬层抑制振铃伪影，但需在带宽/分辨率与灵敏度之间做取舍。传统液态耦合凝胶易干涸失效，新型生物黏附水凝胶可连续贴肤48小时，封装有机水凝胶更可稳定工作超过8天，无需反复补涂。基底与电路采用PI/PET柔性膜、PDMS/Ecoflex弹性体，搭配岛-桥蛇形线路和液态金属互连两种可拉伸方案，保证设备贴合颈部、胸廓、关节等复杂曲面时导电稳定。基于材料与结构差异，论文归纳三类换能器开发范式：性能优先路线——刚性探头搭配绑带或生物黏附水凝胶，适合高精度短时成像；穿戴优先路线——全柔性阵列，适合日常长期监护；集成优先路线——MEMS芯片一体化方案，面向微型智能贴片场景。三大技术路线的穿戴式超声换能器样机：刚性穿戴式、本征柔性阵列、MEMS 微型器件可穿戴硬件存在一个核心矛盾：多阵元阵列超声成像会产生海量射频原始数据，但贴片设备受电池容量、整机尺寸、散热条件约束，算力、功耗、无线传输带宽都十分有限。论文将通用硬件架构分为模拟前端、数字处理核心、无线通信、电源管理四大模块，并归纳三类成熟硬件平台。模拟前端负责超声脉冲发射与微弱回波接收，集成T/R开关、低噪放大器、时间增益补偿电路、模数转换器；新型低压时域光谱方案可将驱动电压降至5V，大幅简化高压电源设计。数字处理单元分三级：低功耗MCU（如STM32L4、MSP430）仅提取血压、心率等一维参数，系统功耗可低于25mW；FPGA依靠并行计算实现实时B超、彩色多普勒成像；ASIC专用芯片整合全部信号链路，体积与功耗最优，但一次性工程成本高昂。通信链路按需选择 BLE（低功耗，仅传输生理指标）或 Wi-Fi（高带宽，实时回传超声图像）。电源管理需同时输出高压脉冲与低压数字电压，是硬件小型化的核心难点。1.极简生理监测设备：MCU+BLE架构，功耗低至5.8 mW，续航可达7天，专注脉搏波速、连续血压等一维指标监测（代表平台：WULPUS、PuLsE）。2.平衡型无线成像探头：FPGA + 多路复用芯片，减少硬件通道数量（如用32通道驱动128~256阵元），兼顾图像质量与设备尺寸（代表平台：TinyProbe，成像功耗约970 mW，续航约2小时）。3.高性能有线科研平台：全并行通道、光纤或USB-C高速传输（带宽达26.4 Gb/s或>3.5 Gb/s），算力充足，但仅用于实验室算法验证，无法独立穿戴。论文同时指出硬件小型化三大关键技术：ASIC 片上集成、MUT 器件简化高压电路、柔性电路板与堆叠封装异质集成。可穿戴超声硬件系统整体框图、台式科研平台、小型无线穿戴设备样机柔性阵列弯曲、人体活动会造成超声图像失焦、信号失真，仅依靠硬件无法抵消干扰，算法作为系统补偿层，是设备稳定可靠的必要支撑。文章将算法分为三大类：基于 A-mode、M-mode 信号追踪血管壁搏动位移，依靠互相关分析或相位跟踪计算动脉直径波形，结合小波降噪、奇异值分解等信号提纯技术提升低信噪比下的鲁棒性。卡尔曼滤波融合预测值与实测数据，输出平滑连续的血管运动曲线。轻量化模块化神经网络、CNN 卷积网络可自动识别血管、筛选最优传感通道，大幅提升运动状态下检测精度；血管定位还可结合 Canny 边缘检测、k-means 聚类、帧差分法自动完成。传统延时求和（DAS）算法默认阵列形态固定，柔性形变会破坏成像质量，学界形成三条解决路径：
- 外部传感辅助法：阵列内部嵌入光纤形状传感器，或搭配激光扫描、红外光学标记设备，实时采集阵列曲面完成相位校正；
- 内源自估算法：仅依靠超声回波信号，迭代优化图像熵、通道相位相干性等清晰度指标，反向推算阵列几何形态；
- 深度学习方法：FlexSANet 等深度神经网络直接建立射频信号与阵列形状的映射；端到端 GAN（Pix2Pix）可跳过阵列形状估算步骤，直接输出清晰 B 超图像。
将超声与惯性测量单元（IMU）、心电信号同步采集——IMU捕捉人体运动姿态辅助运动补偿，超声修正PPG光学信号易受光线、肤色干扰的缺陷，构建多维度完整生理数据。超声与肌电信号的融合还可同步测量肌肉形态变化与电激活，用于神经肌肉诊断。论文以心血管疾病监测为核心落地场景，按照监测维度由浅入深，覆盖四大应用板块。可实现无袖带、逐拍连续血压监测。柔性贴片通过追踪颈动脉或桡动脉壁的搏动波形，结合血压-直径力学模型换算连续血压。Wang等开发的岛-桥结构贴片已在动态条件下验证与临床金标准的一致性；Zhou等的传感器更在ICU患者中连续工作超12小时，在常规活动和临床干预中保持可靠。新型双探头PMUT系统可通过测量局部脉搏波速实现免校准血压估计。此外，该系统还能精准测算脉搏波速、颈动脉内膜厚度，用于筛查早期动脉粥样硬化；双波束多普勒（DBUD）方法从算法层面消除血流测速角度误差。Hu等开发的正交十字柔性相控阵胸贴可长时间采集心脏标准切面（心尖四腔心、两腔心视图），即使在运动状态下也能连续成像，AI自动计算射血分数、心室容积，捕捉运动、睡眠中一过性心肌缺血。Wang等利用生物黏附水凝胶实现48小时不间断心脏监测，将心脏功能评估从静态“快照”升级为动态“视频”，弥补传统院内超声的短板。Zhou等开发的柔性矩阵贴片，利用超快发散波成像，首次在穿戴场景下实现颅内三维血管成像，绘制威利斯环血流图谱，用于卒中、脑血管痉挛长期监护。软声学超透镜可预补偿颅骨引起的相位畸变，缓解颅骨声波衰减难题。监测颈静脉波形评估中心静脉压，辅助重症液体管理；长期筛查下肢深静脉血栓、外周动脉病变；监护术后移植皮瓣微循环。将颈动脉（心输出量指标）与颈静脉（容量指标）同步监测，还可无创实时构建Frank-Starling曲线，为重症患者的液体管理提供定量依据。论文从器件、系统算法、临床转化三大维度梳理行业痛点，并给出了发展路线。1.材料与器件层面：亟需开发高稳定性、可规模化制备的无铅压电材料，使其性能接近含铅材料；研发透气、长效生物兼容封装与耦合介质；设计形变自适应阵列结构；完善设备热安全管控方案——需集成温度监测与自适应功率控制功能，这是获得监管批准的必要条件。2.系统与算法层面：研发一体化超低功耗 ASIC 芯片，将模拟前端、数字波束合成与处理单元单片集成；轻量化边缘AI实现设备本地实时推理——包括信号质量评估、运动伪影抑制、关键参数提取，同时保护用户隐私；深化多传感器融合，构建设备运动综合模型，彻底抑制运动伪影。3.临床转化与产业化：搭建标准化多中心长期临床试验，验证真实世界中的准确性与临床获益；完善AI医疗器械监管规范（如FDA的SaMD框架），部分设备可能需De Novo 分类或上市前批准 (PMA)；降低设备成本，保障医疗数据隐私安全。长远来看，可穿戴超声将拓展至肝肾等深部脏器监测，最终发展为诊疗一体化设备，需要材料、微电子、人工智能、临床医学多学科协同推进。论文信息：Mengxue Yan, Zirui Wang, Zhenfeng Li, et al. Wearable ultrasound: a review of core technologies and clinical applications in cardiovascular monitoring. Microsystems & Nanoengineering, 2026.DOI: 10.1038/s41378-026-01158-8
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