孕妇肚子上贴块“超声创可贴”，实现24小时胎儿实时监测！
传统产检中，超声检查一直是评估胎儿健康最重要的工具之一。但现实问题也很明显：它高度依赖专业超声医生操作，而且检查往往只是某个时间点的“快照”。对于胎儿缺氧、胎盘功能异常、胎儿生长受限等高危妊娠问题，很多危险变化可能发生在两次检查之间，从而错过最佳干预窗口。尤其是在先兆子痫、妊娠高血压等复杂妊娠中，胎儿血流状态会动态变化，仅靠间断检测难以真正反映胎儿在子宫中的实时状态。
近日，美国加州大学圣地亚哥分校的徐升教授联合牛津大学Antoniya Georgieva教授开发出一种可穿戴胎儿超声贴片（UPatch）。这是一种能够贴附在孕妇腹部、实现连续实时胎儿监测的柔性超声系统。该设备不仅能够持续获取胎儿解剖结构，还能自动追踪脐带血流与胎儿血流动力学变化，甚至无需专业超声医生手动操作。研究团队已在62例妊娠中验证其准确性，并进一步在52名孕妇中实现连续监测，成功区分健康妊娠与先兆子痫、胎儿发育异常等高风险状态，为未来“全天候胎儿监护”打开了新方向。相关成果以“”发表在《Nature Biotechnology》上。Geonho Park, Yizhou Bian, Hao Huang, Sai Zhou为共同第一作者。
胎儿位于子宫深处，血流信号本来就弱，而胎儿和孕妇又会不断运动，因此传统可穿戴超声设备很难稳定获取清晰信号。为了解决这些问题，研究人员设计了全新的UPatch系统（图1a）。整个设备像一块柔软的贴片，可以直接贴在孕妇腹部，通过双模超声成像持续观察胎儿血管和血流变化。与普通超声不同，它既能进行解剖成像，也能实时测量血流速度。为了提升深层胎儿血管的信号质量，研究团队在硬件结构上做了多项创新。首先，他们采用“super multipass dicing”工艺加工压电换能器，使换能单元更宽、间距更小，从而将信噪比提高了7.2 dB（图1b）。同时，团队还加入了特殊声学透镜，使超声束聚焦更加精准，束宽缩小约25%，显著提高了空间分辨率与多普勒血流灵敏度（图1c）。此外，他们设计了柔性法拉第屏蔽结构，将电磁噪声降低11.7 dB Hz−1（图1d），从而避免外界电子设备干扰。整个贴片既柔软又可弯曲，可以贴合孕妇腹部曲面，在弯折和包覆状态下依然稳定工作（图1e）。更重要的是，所有机械指数和热指数都远低于AIUM与BMUS连续超声监测安全标准（图1f），意味着它能够长期安全运行。
图1：展示UPatch可穿戴超声贴片的整体结构与核心硬件设计
在完成设备设计后，团队开始验证UPatch是否真的能看清胎儿关键结构。研究人员重点观察了胎儿循环系统中的三大关键区域：脐动脉、脐静脉以及大脑中动脉（图2a）。这些血管与胎盘供血、胎儿缺氧以及脑保护机制密切相关，是临床判断胎儿健康的重要指标。结果显示，UPatch不仅能清晰成像脐带中的两根脐动脉和一根脐静脉，还能准确定位胎儿脑部Willis环中的大脑中动脉（图2b）。随后，设备成功采集到了这些血管的血流速度波形（图2c），说明它不仅“看得到”，还能“测得准”。研究团队进一步将UPatch与医院常用的GE临床超声设备进行正面对比。他们发现，无论是用于评估胎儿缺氧风险的脑胎盘比值（CPR）（图2d），还是双顶径、头围、腹围、股骨长度等胎儿生物学指标（图2e），两者测量结果都高度一致。随后，研究人员又在62名孕妇中进行了系统验证。通过Bland–Altman分析，他们发现UPatch测得的收缩舒张比、脉动指数、阻力指数以及胎心率，与临床超声设备几乎没有差异（图2f）。换句话说，这块柔性贴片已经具备接近专业临床超声的性能。
图2：展示UPatch对胎儿关键血管与解剖结构的成像能力，并与临床超声设备进行定量对比验证。
因为胎儿和脐带会不断移动，传统超声往往需要医生持续手动调整探头和采样位置。为了解决这一难题，研究团队引入了基于图像分割的自动血管追踪算法（图3a）。该算法会持续分析连续超声帧中的彩色多普勒变化，自动识别“搏动区域”，从而判断哪部分是脐动脉，并自动将采样门放置到最佳位置。整个过程完全实时进行，不需要人工干预。实验结果非常直观。在开启自动追踪后，UPatch能够持续锁定移动中的脐动脉，并稳定获得连续血流波形（图3b）。而如果关闭追踪功能，仅使用固定采样门，随着胎儿移动，血流信号很快丢失（图3c）。随后，研究团队将算法标记的位置与经验丰富的超声医生进行双盲比较（图3d）。结果显示，超过90%的采样门误差控制在2 mm以内（图3e），而测得的收缩舒张比也与人工操作几乎一致（图3f）。更关键的是，相比传统深度学习方法，这一算法处理速度提升了10倍以上，真正实现了实时追踪。
图3：展示基于图像分割的自动血管追踪算法
真正体现这项技术价值的，是后面的连续监测实验。研究人员首先对一名健康孕妇和一名先兆子痫孕妇进行了长时间监测（图4a）。UPatch持续记录脐动脉血流，同时实时计算胎心率、脉动指数、阻力指数等参数。结果发现，两名孕妇的胎心率模式看起来差异并不明显（图4b），甚至都能观察到胎心加速现象（图4c、4d）。但当研究人员进一步分析血流动力学参数时，差异开始变得非常明显。健康孕妇的血流参数整体稳定，其脉动指数、阻力指数和收缩舒张比均接近正常参考范围中位数。而先兆子痫患者则出现明显异常：血流参数波动剧烈，24.9%的时间甚至出现舒张末期血流消失（Absent End-Diastolic Velocity），这意味着胎盘供血严重不足（图4d）。她的脉动指数达到2.04，明显高于97.5百分位，提示胎盘功能障碍十分严重。研究团队指出，正是由于UPatch的连续监测，医生及时意识到胎儿宫内发育受限风险，最终提前实施剖宫产，从而避免了更严重后果。
随后，团队又在52名孕妇中开展连续监测研究，涵盖健康妊娠、小于胎龄儿（SGA）、大于胎龄儿（LGA）、妊娠糖尿病、先兆子痫以及妊娠高血压等多种围产期情况。结果发现，仅靠胎心率很难准确区分不同风险状态（图4h）。但脉动指数等血流动力学指标却能明显区分高风险妊娠（图4i）。更重要的是，连续监测还能帮助医生区分“短暂波动”和“持续异常”。因为传统超声只测一个时间点，很可能把短暂变化误判为严重病理状态；而UPatch则建立了每位孕妇自己的动态基线，从而更准确判断真正危险的持续性异常。
图4：展示UPatch在健康妊娠与先兆子痫妊娠中的连续监测结果，以及其区分不同高危妊娠状态的能力。
展望
研究团队最后指出，目前UPatch仍需要连接后端超声主机，未来还需要进一步微型化与无线化。与此同时，研究人员也希望将其与母体血压、血氧、宫缩监测乃至胎儿心电信号整合，形成真正意义上的“母胎一体化监测平台”。随着AI算法和大数据分析进一步发展，这类连续超声监测系统有望帮助医生更早发现胎儿缺氧、胎盘功能障碍等高危信号，从而降低脑瘫、早产甚至死胎风险。对于高危妊娠管理来说，这或许意味着一种全新的时代：从“定期产检”，走向“实时守护”。
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