加州大學聖地牙哥分校的工程師開發了一種可穿戴超音波設備，可以對肌肉活動進行長期無線監測，並在醫療保健和人機介面方面具有潛在應用。該設備旨在透過一層黏合劑黏附在皮膚上，並由電池供電，無需侵入性手術即可高解析度追蹤肌肉功能。

由加州大學聖地牙哥分校化學與奈米工程系 Aiiso Yufeng Li 系教授、雅各布斯學院學者 Shen Xu 領導的研究小組，發表他們的工作 10 月 31 日在自然電子學。這項工作是與加州大學聖地牙哥分校健康中心的肺科醫生、重症監護專家和醫學教授李景紅的合作計畫。

在測試中，該設備佩戴在胸腔上以監測膈肌運動和厚度，這對於評估呼吸健康狀況很有用。Aiiso Yufeng Li 家族化學與奈米工程系的傑出教授、該論文的合著者 Joseph Wang 表示：“通過跟踪膈肌活動，該技術有可能為患有呼吸系統疾病的患者和那些依賴機械通氣的患者提供支持。”學習。

此外，研究人員成功地使用前臂上的裝置來捕捉手和手腕肌肉活動，這使其能夠用作人機介面來控制機械手臂並玩虛擬遊戲。

這種穿戴式超音波技術可能為目前的臨床標準肌電圖（EMG）提供一種有前途的新替代方案，肌電圖涉及在皮膚上應用金屬電極來記錄肌肉電活動。儘管肌電圖已長期使用，但其解析度低且訊號弱。例如，來自多個肌纖維的訊號經常混合在一起，這使得隔離特定肌纖維的貢獻變得具有挑戰性。

然而，超音波透過穿透深層組織提供高解析度成像，提供對肌肉功能的詳細了解。徐團隊及其合作者開發的超音波技術具有緊湊、無線和低功耗的額外優勢。

該研究的共同第一作者、加州大學聖地亞哥分校材料科學與工程項目的博士研究生陳向軍說：“這項技術可能會被個人在日常生活中佩戴，以進行持續、長期的監測。”

該設備安裝在柔性矽酮彈性體外殼中，由三個主要部件組成：用於發送和接收超音波的單一換能器；客製化設計的無線電路，用於控制感測器、記錄數據並將數據無線傳輸到電腦；以及可為系統供電至少三小時的鋰聚合物電池。

這項工作的一個關鍵創新是使用單一超音波換能器來有效感知深層組織。此感測器發射強度控制的超音波並捕獲攜帶豐富資訊的射頻訊號，從而實現測量隔膜厚度等臨床應用。利用這些訊號，該設備可以實現高空間分辨率，這是隔離特定肌肉運動的關鍵。

為了從這些訊號中獲得更多見解，研究人員開發了一種人工智慧演算法，將訊號映射到相應的肌肉分佈，使其能夠從收集的訊號中高精度且可靠地識別特定的手勢。

當佩戴在胸腔上時，該設備可以以亞毫米精度精確監測隔膜厚度。膈肌厚度是臨床上用於評估橫膈肌功能障礙並預測通氣患者預後的指標。透過分析肌肉運動，研究人員還可以檢測不同的呼吸模式，例如淺呼吸和深呼吸。

此功能可幫助診斷與呼吸不規則相關的疾病，例如氣喘、肺炎和慢性阻塞性肺病（COPD）。在一項小組試驗中，該設備成功區分了慢性阻塞性肺病患者和健康參與者的呼吸模式。

該研究的共同第一作者、加州大學聖地亞哥分校化學與奈米工程系 Aiiso Yufeng Li 系的博士後研究員 Muyang Lin 表示：“這證明了該技術在呼吸護理臨床應用中的潛力。”

當戴在前臂上時，該設備可以精確追蹤手和手腕的肌肉運動。感謝人工智慧演算法該團隊開發的系統能夠僅根據超音波訊號識別各種手勢。此系統能夠辨識13個自由度，覆蓋10個手指關節和手腕的3個旋轉角度。因此，它甚至可以以高靈敏度捕捉輕微的手腕和手指動作。

在概念驗證測試中，參與者使用前臂上的設備來控制機械手臂將水移入燒杯中。在另一個演示中，他們使用了裝置玩虛擬遊戲，使用手腕動作控制虛擬小鳥穿越障礙物飛行。「這些演示強調了該技術在義肢、遊戲和其他人機介面應用方面的潛力，」該研究的共同第一作者、博士生 Wentong Yue 說。

加州大學聖地牙哥分校化學與奈米工程系 Aiiso Yufeng Li 系的候選人。

展望未來，研究人員計劃提高該技術的準確性、便攜性、能源效率和運算能力。

該論文的標題是「基於單一感測器的可穿戴式回波肌電圖系統」。