刚刚博士后出站的胡鸿杰，以一作身份新发了一篇《自然》论文。结果，他的“电话被打爆”了。在论文发表仅一周时，下载量就已经超过了44000次。这篇论文由胡鸿杰所在的加州大学圣地亚哥分校徐升团队完成，题目是：《可穿戴心脏超声成像仪》（A wearable cardiac ultrasound imager）。这是一个为期四年的项目，始于2019年初。一开始，由于缺乏医学知识，我们的工程师团队努力寻找适合可穿戴超声成像仪的应用。在一次闲聊中得知我们同事的一位亲戚死于突发心脏病后，我们意识到我们的技术可以通过持续监测心脏功能来降低死亡率，从而对人们的生活产生真正的影响。这是“宾果游戏！”的时刻，促使我们接近校园里的心脏病专家。心脏病专家告诉我们，他们从未见过心脏在运动中被监测，他们对我们的项目非常感兴趣。这就是我们如何通过偶然发现可穿戴超声成像仪的独特价值，并能够开发它以适应目的。
1992年出生的胡鸿杰，于今年年初博士后出站，正在寻找工作的他，把每一份简历都投给了国内的学术机构。
这篇新近发表的《自然》论文，带他走上了从事科研工作以来第一个“小高峰”。他接到很多电话，有领域内的专家学者交流探讨，也有企业界的人士寻求合作。但这项工作带给他的最大收获，是在领导一个小团队的过程中，建立了从确定学术课题到组织开展工作的独立科研能力。在做一个科研小团队的leader时，胡鸿杰认为，“一定要着眼大局，而不是只盯着项目的一小部分。要把整个项目的进展、节点放在心里，有序推进；此外，要培养自己阅人的能力，让每个人去做最擅长、最合适的事情，同时根据大家的表现进行及时反馈。最后，科学家也要有良好的社交能力，这样才能更好地实现交流和合作。”近日，胡鸿杰刚刚获得了一个名为“寺崎久子青年创新旅途奖”（Hisako Terasaki Young Innovator Award）的奖项，这个奖旨在表彰那些在职业生涯早期就取得卓越成果，特别是发展出突破性的，具有重大转化潜力的生物医学技术的个人。令人印象深刻的，不仅是这篇论文的应用前景，还有它长达136页的篇幅。“写得这么详细可能确实不利于技术保密，但我们发表文章的目的就是让别人来重复和效仿，所以就没想着‘留一手’。”徐升笑道。2019年初，课题组里的胡鸿杰博士领衔，开启了关于可穿戴心脏超声成像仪的研究。他们从实验室制造柔性生物医学电子设备的传统优势出发，向着更高难度的目标进军。团队设计了一款尺寸为1.9厘米×2.2厘米×0.09厘米的超声贴片，只有一张邮票大小，柔软而且富有弹性，即便在剧烈动时也能很好地贴合人体。贴片的背面有硅油，一方面用于与人体粘连，另一方面也起到了超声检查中耦合剂的作用。但这个小东西的巧妙还不止于此。它由压电换能器阵列、液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装而成。研究人员创新了加工方法和算法，让设备可以实现高分辨率的B超成像，然后创造性地引入AI技术，把隐藏在B超图像里的重要心脏参数提取出来。传统的医学设备只能提取一些离散的数值，这张“小邮票”却可以提取出连续的波形，为医生提供更全面、更有价值的信息。这篇长达136页的论文，包括23页正文和110多页补充材料。“我也不知道这样做到底好不好。”徐升表示，这种极其详尽的论文写作方法有利有弊。好处在于能够帮助读者理解论文内容，也方便同行去重复和验证相关实验，提升论文的实际影响力。但风险也很明显：可能对专利申请和保护产生影响；而且写作时间延长后，论文被“抢发”的风险也大大增加了。对这些顾虑，徐升表现得很豁达：“我就想，人各有命。我们的论文目前被‘抢发’过3次，但是我们也‘抢’过别人的，很正常。”“最重要的，科研不是做‘一锤子买卖’。我们既然做这个工作，就要尽可能地把它更好地展示出来。这种态度本身也助于把每一件工作做好。”他说。据说一张图片胜过千言万语。可穿戴超声成像仪的免提连续操作为提高诊断准确性和患者体验提供了许多可能性。
可穿戴超声技术为深层组织传感开辟了新维度。该技术可以扩展到对各种深层组织和中枢器官进行成像，而不仅仅是心脏。捕捉内部组织和器官的解剖结构和动态功能的连续超声图像可以提供前所未有的关于健康状况和健康状况的信息量。我们开发的算法使用一种称为深度学习的人工智能技术，可以为临床医生提供客观、可操作的信息，帮助他们做出治疗决策。与传统可穿戴设备测量的表面信号相比，深层组织信号提供有关疾病状态和预后的更准确的信息。连续的信息流也可能对预测急性不良事件和及时干预产生重大影响，从而可能挽救许多生命。
目前形式的可穿戴成像贴片并不完美。必须提高其空间分辨率，特别是在高程方向。为了使设备适应不同的静态和动态曲面，需要通过先进的成像算法或几何传感技术优化由换能器阵列变形引起的失真信号的补偿。此外，深度学习模型应该推广，使其适用于更大的人群。该设备目前通过柔性电缆连接到后端，用于数据和电力传输;后端控制超声波并处理图像，并提供用户界面和图像显示屏幕。需要进一步的工作来开发一个完全集成的可穿戴超声系统，该系统具有柔软的小型化驾驶电子设备和内置电源。— 胡宏杰和黄浩在美国加州拉霍亚市圣地亚哥分校。
该装置可以连接到胸部，提供运动前、运动期间和运动后心脏活动的连续记录。使用液相硅作为耦合剂来获得质量稳定的图像，而不是随时间蒸发的超声凝胶。此外，相同装置在不同的受试者身上进行了测试。可重现的结果表明可穿戴成像仪的性能稳定可靠。进行负荷超声心动图检查，以证明装置在运动过程中的性能。该装置贴附在受试者身上，在整个过程中沿胸骨旁长轴连续记录，包括三个主要阶段。在休息阶段，受试者仰卧。在运动阶段，受试者在自行车上进行几次间歇运动，直到达到可能的最大心率。在恢复阶段，受试者再次处于仰卧位。该设备展示了对左心室活动的不间断跟踪，并提取了左心室收缩末期内径和左心室舒张末期内径。为了在这样一个紧凑的阵列中分别处理每个元素，研究者基于共晶镓铟液态金属和SEBS的复合材料制作了高密度多层可拉伸电极。该复合材料导电性好，易于定型(图1b,c)。重叠剪切测量表明，换能器元件与SEBS衬底之间的界面结合强度约为250 kPa，换能器元件与复合电极之间的界面结合强度约为236 kPa(图1d)，两者都比典型的商用胶粘剂更强。所得电极厚度仅为8 μm左右。电磁屏蔽也是由复合材料制成，可以减轻环境电磁波的干扰，从而降低了超声射频信号中的噪声，提高了图像质量。该器件具有较高的机电耦合系数、较低的介电损耗、较宽的带宽和可忽略的串扰，具有良好的机电性能。整个装置的杨氏模量低至921千帕，与人体皮肤模量相当。该器件具有高达约110%的高拉伸性(图1e)，并能承受各种变形(图1f)。考虑到人体皮肤的典型应变在20%以内，这些机械性能允许可穿戴式成像仪与皮肤保持大面积的亲密接触，这对刚性超声设备来说是一个挑战。在此，研究者报道了一种可穿戴式超声设备，用于连续、实时和直接的心脏功能评估。研究者介绍了设备设计和材料制造方面的创新，改善了设备与人体皮肤之间的机械耦合，允许在运动过程中从不同角度检查左心室。研究者还开发了一个深度学习模型，从连续的图像记录中自动提取左心室容量，生成关键心脏性能指标的波形，如冲程容量、心排血量和射血分数。该技术能够在各种环境下，对心脏性能进行动态可穿戴监测，大大提高了准确性。