胎儿在子宫内的生理成熟依赖于母体、胎盘和胎儿循环之间协调的血流支持。这些血流动力学相互作用的任何紊乱都可能引发胎儿并发症，如缺氧、宫内生长受限和脑瘫，其中死胎是最严重的后果。尽管已有数十年的研究，许多此类胎儿并发症仍未得到诊断和解释，现有方法主要依赖尸检调查。在整个妊娠期间持续监测胎儿解剖结构和血流动力学，不仅能为胎儿并发症的病理生理机制提供洞见，还能实现对新兴问题的早期检测和干预，从而预防不良结局。
目前，持续胎儿监测主要依赖胎心监护，其测量胎儿心率和子宫收缩。然而，鉴于胎儿生理的复杂性，这些测量指标与胎儿健康状况的相关性不佳，假阳性率高达50%。其他基于心电图、脉搏血氧仪或加速度计的连续监测设备无法可靠地区分胎儿与母体信号，在临床实践中并未得到广泛应用。超声检查被广泛用于测量胎儿生物测量指标和血流，并且已建立了贯穿整个妊娠期的标准化参考指数以评估胎儿健康。然而，传统超声检查高度依赖操作者的技术水平，测量结果仅限于瞬时快照，可能无法捕捉胎儿血流动力学的纵向变化模式和关键时刻。尽管已开发出用于持续监测生理信号的可穿戴超声设备，但由于深部胎儿血管的血流信号微弱以及胎儿大幅运动时的信号丢失，这些设备不适用于胎儿监测。
近日，美国加州大学圣地亚哥分校的Sheng Xu教授与英国牛津大学的Antoniya Georgieva教授合作，报告了一种可穿戴超声贴片（UPatch），能够持续对胎儿进行成像并实时自主测量胎儿血流。为提高信噪比和成像分辨率，集成了通过超多道切割工艺制备的换能器，以及声学透镜和软法拉第笼。为识别和追踪移动目标，采用基于分割的算法在双工图像中放置取样门。即使在胎儿大幅运动期间，也能实时、连续、自主地获取血流频谱。作者团队开展了一项包含62名孕妇参与者的前瞻性研究，以验证UPatch与手持式临床超声设备相比的准确性。此外，使用UPatch对52名参与者的脐带血流进行了持续监测，生成了可区分瞬时波动与持续性损害的纵向测量数据。作者团队发现多普勒指数与胎龄呈单调关系，并能区分高危妊娠与健康妊娠。在一例子痫前期病例中，UPatch揭示了宫内生长受限的严重程度，从而促使提前进行剖宫产以预防死胎。
UPatch 的设计：
胎儿结构和血管的大小各异，且分布在子宫内很深的范围内。B 模式成像基于组织界面的回波和组织内的分布式散射。相比之下，彩色多普勒成像和频谱多普勒血流波形则基于来自红细胞的弱得多的回波。
采用三种策略来增强深部胎儿血管中红细胞的回波。第一，UPatch 包含一个 2.5 MHz PZT-5H 1-3 复合材料，带有导电环氧树脂背衬层，节距为0.65 超声波长。使用超多通道切割技术，该技术减小了切缝宽度，从而使阵元宽度增加了 25%。这使信噪比提高了 7.2 dB，而未增加相邻阵元之间的串扰。第二，设计了一个声透镜来改善提升方向聚焦，使聚焦波束宽度减小了25%，从而提高了空间分辨率和彩色多普勒信号灵敏度。此外，声透镜将提升方向聚焦深度从 14 cm 移至 10 cm，与临床设备相当，以在整个子宫内平衡空间分辨率。第三，通过垂直互联将电磁屏蔽层与网格接地电极层连接，开发了一种软法拉第笼。该笼完全封装了阵元，使电磁干扰降低了 11.7 dB Hz⁻¹。此外，使用两个信号电极层，可以以最小的电极占用面积单独寻址每个阵元。UPatch 具有机械柔顺性，对怀孕参与者在各种姿势下的运动几乎不产生约束。
为了量化 UPatch 的性能，我们按照医学物理与工程学的协议对其 B 模式、彩色多普勒和频谱多普勒模式进行了表征。在填充有单丝导线和组织模拟对比目标的体模上，UPatch 在 B 模式下的轴向和横向分辨率以及动态范围和对比噪声比与手持式临床超声设备相当。在填充有血液模拟流体的流动体模上，UPatch 在不同深度和速度下的彩色多普勒灵敏度和频谱多普勒准确性与临床设备相似。在定制的脐带流动体模上，无论体模方向如何，UPatch 都能可靠地获取血流信号。在一名健康成年参与者身上，UPatch 和临床设备的三种模式在质量上均相当。
图：UPatch 概述
胎儿监测与验证：
双工成像可以揭示胎儿解剖异常、量化胎儿生物测量指标，并有助于记录胎儿血管的频谱多普勒波形。校正由母体腹部引起的相位像差后，UPatch 能够获取高质量信号。UPatch能够对螺旋脐带中的两条动脉和一条静脉以及 Willis环中的大脑中动脉进行成像。从所有这些血管中均获取了详细的血流速度波形。脑胎盘比（大脑中动脉搏动指数除以脐动脉搏动指数）量化了胎儿在长期缺氧或胎盘功能不全时的脑保护效应，UPatch 与临床设备获取的测量值具有可比性。UPatch 精确测量了解剖结构（如双顶径（BPD）、头围（HC）、腹围（AC）和股骨长（FL）），提供了用于评估生长相关并发症的估计胎儿体重（EFW）。
在 62 名参与者身上，针对不同的血管深度、方向和胎盘位置，将 UPatch 的准确性与临床设备进行了验证。根据频谱多普勒波形，包络提取算法可导出收缩期峰值速度、舒张末期速度和胎儿心率，以计算收缩期/舒张期比值、搏动指数和阻力指数。基于 Bland-Altman 分析，UPatch 与临床设备之间的平均差异 ± 标准差分别为：收缩期/舒张期比值 –0.019 ± 0.274（相对平均差异 –0.72%），搏动指数 –0.010 ±0.117（–0.92%），阻力指数 –0.004 ± 0.044（–0.64%），胎儿心率0.95 ± 2.91 次/分钟（bpm）（0.68%）。Pearson 相关系数表明两台设备的测量值之间存在强线性关系。
图：UPatch 用于胎儿监测的测量与验证
自主血管追踪：
脐带血流的频谱多普勒波形可监测负责胎儿氧气和营养输送的胎盘循环。然而，由于胎儿和母体运动、呼吸及子宫收缩，脐带是一个移动目标。在临床实践中，超声技师需手动调整彩色血流框并设置取样门以从目标血管获取频谱多普勒信号，这既耗时又依赖操作者。在妊娠并发症发病率仍然较高的低资源环境中，此类超声技师往往数量有限。
为减少人工操作的需求及相应的医疗负担，作者团队开发了一种基于图像分割的算法，能够自主识别和追踪移动血管。使用发散波束覆盖大视场，确保移动血管始终在超声窗口内可见。UPatch 在常见母体姿势下无需重新定位即可稳定获取脐带信号。通过对重建的双工图像进行分割，追踪算法通过计算连续帧间彩色多普勒像素强度的方差来识别搏动信号。随后，算法识别搏动信号的主要区域，并将该主要区域的空间质心注册为取样门，在该处引导聚焦波束获取血流频谱。这种自主取样门注册实现了对移动血管血流的实时连续监测。若无追踪算法，血管运动期间血流信号将丢失。
为验证自主追踪算法的准确性，在双盲测试中将其取样门与超声技师注册的取样门进行了比较。91.9% 和 90.5% 的取样门在横向和轴向方向上的偏差在 2 mm 以内（一项公认的临床标准）。在另一项测试中，三名超声技师认为追踪算法注册的取样门在使用临床设备获取的图像中有 94.2% 是准确的（部分图像受脐带快速运动影响），在使用 UPatch 获取的图像中有 91.2% 是准确的。使用 Bland-Altman 分析比较了追踪算法与超声技师获取的取样门的收缩期/舒张期比值。平均差异 ± 标准差仅为 0.036 ± 0.124。虽然其准确性与 U-Net 和 ConvLSTM相当，但追踪算法将处理时间减少了十倍以上，从而实现了实时图像处理。
图：基于图像分割的自主血管追踪
孕妇参与者的持续监测：
持续监测脐动脉血流对于评估胎儿生长受限至关重要。异常波形（如舒张末期速度缺失或反向）通常提示因胎盘功能不全导致的胎儿病理改变，而更细微的异常（如多普勒指数升高）则表明风险升高。对这些变化的持续监测可为最佳分娩时机提供依据，平衡早产可能导致的产后并发症与延迟分娩增加的窒息、脑瘫及死胎风险之间的矛盾。
使用 UPatch 对一名健康孕妇（胎龄 32 周 6 天）和一例子痫前期孕妇（胎龄 28 周 3 天）进行了比较。参与者取半卧位，将 UPatch 放置于母体腹部，在胎盘脐带插入处持续监测血流。导出胎儿心率和多普勒指数，包括搏动指数、阻力指数和收缩期/舒张期比值，这些指标与超声入射角无关。两名参与者的胎儿心率模式相似。健康孕妇的平均胎儿心率为 149.5 bpm，子痫前期孕妇为 143.3 bpm，变异性分别为 20.3 和 21.5 bpm。UPatch能够检测到瞬时胎儿心率加速，这表明胎儿状态健康。然而，两名参与者的多普勒指数呈现出截然不同的特征。健康孕妇的多普勒指数变异性极小，表明血流稳定。平均搏动指数 1.04、阻力指数 0.62 和收缩期/舒张期比值 2.61 与既定参考标准的第 50 百分位数一致，表明胎儿健康。相比之下，子痫前期孕妇的多普勒指数波动较大，且 24.9% 的时间内舒张末期速度缺失。平均搏动指数 2.04、阻力指数 0.85 和收缩期/舒张期比值 5.11 均高于第 97.5 百分位数，提示严重的胎盘功能障碍。UPatch 检测到胎儿健康受损后，该子痫前期孕妇接受了强化监测，4 天后通过剖宫产分娩。
当前产科实践依赖于两步流程：先用心电监护进行胎儿心率监测，再单独手动进行多普勒超声获取多普勒指数。使用 UPatch 在 52 例妊娠中同时持续监测这两项信号。队列分析显示，胎儿心率与多普勒指数之间无相关性，突显了两者提供互补临床信息的潜力。此外，持续监测结果表明，瞬时生理性波动可使多普勒指数暂时变为异常值。使用传统超声设备时，这些瞬时波动可能被误判为病理性改变并触发不必要的干预，而UPatch 的持续监测可建立个性化基线和时间上下文，从而区分瞬时波动与持续性损害。虽然观察到了胎儿心率减速，但显著的逐跳变异性以及缺乏明确的胎龄参考趋势使得解读具有挑战性。相比之下，多普勒指数与胎龄呈单调关系，与既定参考范围一致，支持将其作为评估胎儿血管阻力和识别高危妊娠的客观、可临床操作的信息。数据还按围产期情况进行了分层，包括健康、小于胎龄儿、大于胎龄儿、妊娠期糖尿病、子痫前期和妊娠期高血压。所有情况下胎儿心率分布重叠程度很高，区分能力有限。相比之下，多普勒指数存在差异，尤其在小于胎龄儿、子痫前期和高血压中，体现了UPatch 实时识别高危妊娠的潜力。
图：孕妇参与者的持续监测
小结
UPatch 能够可视化胎儿解剖结构并测量胎儿心率和血流，为评估胎儿健康的现有方法提供互补信息。标准临床方案要求由超声技师定期进行血流评估，通常在门诊环境中每周一次，住院患者最多每周三次，这些评估既耗费人力又容易出错。相比之下，UPatch 可直接贴附于母体腹部，免手持操作，并采用基于图像分割的算法自主识别和追踪血管，无需超声技师即可实现持续、准确的血流测量。
可通过多种策略进一步改进 UPatch。第一，追踪算法在运动期间无法维持不间断的频谱多普勒波形，因为血管追踪与频谱多普勒采集是顺序进行的。这一局限可通过集成独立的图像分割算法来实时检测信号丢失，使系统在信号丢失时暂停频谱多普勒序列并在双工图像中追踪目标血管来解决。利用先进的图形处理单元可大幅加速计算，实现双工成像与频谱多普勒采集的同步进行。
第二，UPatch 目前需要通过线缆连接至笨重的后端系统以供电和进行高带宽数据传输，与许多其他可穿戴设备类似。虽然该配置适用于住院环境，但限制了活动范围和更广泛的适用性。未来开发可集成无线电路以扩展临床应用场景。最近已开发出一种紧凑电路，可将换能器阵列与单个收发器连接以监测血管搏动，但尚不支持多普勒成像。开发具有多个收发器的更先进电路以支持多普勒成像，将提升用户移动性，有助于评估母体姿势和体力活动对胎儿健康的影响，并揭示母体循环如何影响胎儿血流动力学。
第三，该研究仅使用了 UPatch。未来工作可聚焦于将 UPatch 数据流（如胎儿心率和多普勒指数）与来自胎儿（如心电图）和母体（如血压、脉搏血氧仪和宫缩监测）的额外生理指标进行整合。此类多模态融合将提供对母婴间动态相互作用更全面、更准确的理解。最后，应用大数据分析将 UPatch 数据流与产后及尸检结果相关联，将为胎儿并发症的机制提供前所未有的洞见，推动诊断和干预策略的进步。
参考文献
Geonho Park, Yizhou Bian, Hao Huang, et al. Fetal monitoring for high-risk pregnancies using a wearable ultrasound patch. Nat Biotechnol. 2026 May 26.
https://www.nature.com/articles/s41587-026-03140-1
来源：纳米人
