综述：可穿戴超声关键技术及其心血管监测应用进展
2026-06-28 21:00:56 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

当前可穿戴超声技术正处于从实验室原型向规模化临床应用跨越的关键阶段。要顺利实现这一跨越，需重点应对“器件、系统、算法”三大维度的综合挑战。

近年来，柔性材料、先进制造、微机电系统（MEMS）和集成电路（IC）技术持续取得突破，推动了可穿戴超声领域的快速发展。可穿戴超声设备是一类可与人体表面共形贴合的系统，能够将临床超声的核心功能集成于紧凑、自主运行的装置之中，实现连续、无需专业操作人员持续干预的数据采集。然而，构建稳定可靠的可穿戴超声系统是一项复杂的系统工程任务，其性能取决于共形换能器、微型化硬件系统和先进算法三大核心组成部分的协同集成。三者高度耦合、相互依赖且彼此制约，其协同演进共同决定了可穿戴超声系统的最终性能与实际应用价值。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中国科学院空天信息创新研究院、中国人民解放军总医院、中国医学科学院、北京大学人民医院的联合研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Wearable ultrasound: a review of core technologies and clinical applications in cardiovascular monitoring”的综述文章，系统梳理了可穿戴超声系统的技术框架，重点分析了三项核心技术：其一，共形换能器，涵盖材料体系、微纳制造技术，以及声学性能与机械顺应性之间的关键权衡；其二，微型化硬件系统，探讨如何协调处理能力、能效、器件尺寸与系统带宽之间的矛盾；其三，先进算法，阐明其作为数据补偿模块，在动态佩戴场景下保障数据完整性与可靠性的关键作用。此外，本文还系统总结了可穿戴超声技术在心血管领域的应用进展，并分析了相关关键技术与未来挑战，为该领域的发展提供了前瞻性视角。

可穿戴超声系统的概念框架

图1 可穿戴超声系统的概念框架

用于共形感知的可穿戴超声换能器

可穿戴超声系统的性能，根本上取决于其核心感知单元——超声换能器。超声换能器的设计并非仅是选择某一种功能材料，而是一项涉及多个功能模块协同工作的系统工程。从结构与功能角度看，高性能共形换能器可分为三个相互依赖的子系统：第一，压电核心，可视为系统的“发动机”，负责电能与声能之间的相互转换；第二，由匹配层和背衬层构成的声学能量传输系统，可视为声学“透镜与阻尼器”，负责将声能高效耦合至目标介质，并抑制噪声；第三，由基底和互连电极组成的机电集成框架，可视为系统的“骨架与神经系统”，用于提供机械支撑、共形贴合能力以及稳定的信号传输通路。

柔性超声换能器的层级结构及关键材料

图2 柔性超声换能器的层级结构及关键材料

可穿戴超声换能器的制造、封装与耦合策略

图3 可穿戴超声换能器的制造、封装与耦合策略

共形超声换能器中可拉伸互连的设计策略

图4 共形超声换能器中可拉伸互连的设计策略

基于声学性能、机械共形性与系统集成复杂度之间的不同权衡取舍，目前可穿戴超声换能器主要形成了三种设计范式。第一类为“性能优先”范式，将传统的高性能刚性换能器集成于可穿戴固定结构中，优先保障信号质量；第二类为“形态优先”范式，打造“原生可穿戴”的本征共形换能器，侧重佩戴适配性；第三类为“集成优先”范式，采用微机械超声换能器（MUT）架构，其MEMS制造工艺天然具备可扩展性与CMOS兼容性，为“超声智能贴片”这类高度集成系统的实现奠定了技术基础。

可穿戴超声换能器的主要类型

图5 可穿戴超声换能器的主要类型

可穿戴超声换能器的系统集成

典型的可穿戴超声硬件系统通常包含四个高度集成的模块：换能器接口与模拟信号链、数字处理核心、数据通信模块以及电源管理单元（PMU）。为了在可穿戴场景下平衡成像性能、功耗、体积和数据带宽等约束，当前研究已形成三条具有代表性的技术路径：一是面向长期生理监测的极简系统，这类设计优先追求超低功耗和数天甚至更长的续航时间，主要从一维A型或多普勒信号中提取心率、血流速度等特定生理参数；二是面向移动成像的平衡型系统，这类设计旨在资源受限的条件下兼顾成像性能与便携性，实现实时B型或彩色多普勒成像；三是面向前沿技术探索的高性能研究平台，其首要目标是获得最高保真度数据，以支撑超快成像等先进算法研究，但通常需要以牺牲便携性为代价。

为实现紧凑、低功耗的可穿戴超声系统，需要依赖芯片、换能器和封装三个层面的关键技术协同发展。在芯片层面，专用集成电路（ASIC）或片上系统（SoC）可将模拟前端、数字波束形成、控制逻辑乃至处理器核心集成于单一芯片中，从而减少片外数据传输，降低功耗并缩小系统体积。在换能器层面，以PMUT和CMUT为代表的MEMS器件可通过晶圆级制造实现高密度阵列，并具备潜在的单片集成能力。在封装层面，异构集成和先进封装技术为刚性芯片与柔性换能器阵列之间的可靠连接提供了基础，从而实现更紧凑、更可靠且更适于长期贴肤佩戴的电子系统。

可穿戴超声的硬件系统与集成

图6 可穿戴超声的硬件系统与集成

信号处理与成像的先进算法

在共形换能器和便携式硬件的支持下，可穿戴超声设备能够持续采集生理数据流。然而，原始射频（RF）信号与A型信号无法直接转化为临床有效信息，与稳定、精准的医学参数及影像输出之间存在显著差距。先进算法是填补这一差距的核心支撑，主要分为三类：生理参数提取的非成像算法、面向柔性阵列的图像重建与先进波束形成算法，以及数据补偿、修复与多模态融合算法。这些算法可将含噪的连续原始数据转化为稳定、精准的临床指标或医学图像，解决柔性器件形变带来的特有信号失真问题，是保障可穿戴超声设备可用性与可靠性的关键基础。

从非成像可穿戴超声数据中提取生理参数的算法流程

图7 从非成像可穿戴超声数据中提取生理参数的算法流程

柔性超声阵列信号处理的先进算法

图8 柔性超声阵列信号处理的先进算法

可穿戴超声换能器在心血管血流动力学监测中的临床应用

心血管健康监测具有极高的临床价值，正推动医疗模式从急性事件的被动救治，转向基于个体化诊疗的主动健康风险管理。在共形换能器、微型化系统与先进算法的技术支撑下，可穿戴超声正从一维参数监测逐步演进至四维成像，推动心血管健康管理从间歇式、依赖操作人员的传统模式，向连续化、自动化、个体化的新型模式转型。该领域应用可沿“核心到前沿”的脉络展开：基础层为连续动脉血流动力学监测，覆盖血压、心率、血流速度、血管僵硬度等核心参数；进阶层为心脏、脑部等核心器官的直接功能评估；拓展层延伸至静脉系统与外周循环监测，例如深静脉血栓筛查、局部血流灌注评估等。

用于无创心血管监测的可穿戴超声技术

图9 用于无创心血管监测的可穿戴超声技术

挑战与未来展望

当前可穿戴超声技术正处于从实验室原型向规模化临床应用跨越的关键阶段。要顺利实现这一跨越，需重点应对“器件、系统、算法”三大维度的综合挑战。在器件层面，需进一步提升材料的生物相容性、长期稳定性、机械柔顺性与声学性能；在系统层面，需解决续航能力、热管理、无线通信、数据安全与成本控制等核心问题；在算法层面，需增强对运动伪影、阵列形变、个体差异及复杂临床环境的适应能力。与此同时，这些挑战也指明了未来技术创新的核心方向。未来，可穿戴超声技术将推动材料、结构、硬件与算法的深度协同融合，依托边缘计算、多模态传感、人工智能（AI）与先进封装等技术，持续提升系统的自主运行能力与临床实用价值。

可穿戴超声技术的挑战与未来展望