2026年5月26日，发表于《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）的一项重磅研究，由斯坦福大学、加州大学圣地亚哥分校（UCSD）以及牛津大学等机构组成的跨学科团队，成功研发出一款名为“UPatch”的柔性可穿戴超声贴片。该器件不仅实现了无需专业超声医师手动干预的自主、长效胎儿血流动力学连续监测，更在多中心、62 例妊娠临床验证中表现出比肩临床手持超声仪的极高精度。在一次实际临床监护中，UPatch 更是成功捕捉到先兆子痫孕妇的舒张末期血流缺失（AEDV），促成了及时的紧急剖宫产，挽救了新生儿的生命。
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1. 硬件重构：攻克深部探测与力学柔顺性的物理极限
要将重达数十公斤、依靠硬质压电换能器的临床超声探头，重塑为一张手掌大小、能够长效贴附在孕妇起伏腹部的柔性贴片，研究人员必须突破深部探测与力学柔顺性的物理极限。子宫内的胎儿和脐带通常处于母体腹壁下方 5 至 15 厘米的深部组织中，红细胞对超声波产生的多普勒散射信号极其微弱，且极易被母体皮下脂肪及子宫壁的多层不均匀界面所消减。
为了克服这些工程障碍，研究团队在硬件层面实施了三项颠覆性的重构策略。首先，换能器核心采用了频率为 2.5 MHz 的 PZT-5H 1-3 压电复合材料，并配备了高导电环氧树脂背衬层，以 0.65 倍超声波长的间距进行阵元排列。团队开创了“超多步切割工艺”（Super Multipass Dicing），通过每次仅 50 微米深度的逐次微步切割，成功将阵元间的切缝（Kerf）宽度压缩至极限的 0.05 毫米。这一工艺使单个阵元的有效宽度增大了 25%，在不增加相邻阵元声学串扰的前提下，将整体系统的信噪比（SNR）显著提升了 7.2 dB。
其次，在贴片上集成了定制的硅胶声学透镜，不仅使高程方向的聚焦波束宽度收窄了 25%，还将高程焦深调整至 10 厘米，这与高端临床手持式探头的物理聚焦性能相当，从而在整个深部子宫区域内维持了极高的空间分辨率。
第三，为了屏蔽复杂的环境电磁干扰，团队研发出一种由缝合垂直互连通路（VIA）连接的三维柔性法拉第电笼（Soft Faraday Cage），完全包裹超声阵元，在 2.5 MHz 中心频率处将电磁噪声耦合降低了 11.7 dB Hz-1，实现了极高信噪比的微弱多普勒血流信号捕获。
在长效安全评估中，UPatch 展现了极佳的声学安全裕度。其在双联成像模式下的最大空间平均时间平均声强（Isata）仅为 0.72 mW cm-2，远低于美国食品药品监督管理局（FDA）规定的 20 mW cm-2 限制。其在双联成像和频谱多普勒模式下的机械指数（MI）分别为 0.20 和 0.38，软组织热指数（TIS）和骨骼热指数（TIB）最高分别仅为 0.1 和 0.38，完全低于美国超声医学会（AIUM）和英国医学超声学会（BMUS）对于连续超声监护不超 0.7 的安全阈值。此外，在长达8 小时的体外连续激活测试中，贴片表面的温升未超过 0.7 °C，消除了任何长效声学暴露和温升损伤风险。
2. 临床校验：多模态图像重构与血流动力学精细解算
开发高壁垒医疗级柔性器件的终极标准在于真实的临床验证。为此，研究团队在加州大学圣地亚哥分校医学中心及牛津大学约翰·拉德克利夫医院开展了多中心临床试验。试验共招募了 62 名处于不同孕周、拥有不同胎盘位置（前壁、后壁、侧壁及底部）以及不同身体质量指数（BMI，平均值 27.17±6.9）的孕妇，并与临床最高规格的台式多普勒超声仪（GE Voluson E10）进行了“头对头”的精度校验。
研究团队表示，利用 UPatch 的双联成像模式，系统不仅能够清晰提取出胎儿的双顶径（BPD）、头围（HC）、腹围（AC）及股骨长度（FL）等关键生物测量参数，还可通过 Hadlock IV 公式精准估算出胎儿体重（EFW），用于评估发育迟缓等宫内异常。同时，该贴片在穿透深部组织、解析脐带内部盘绕血管（两条脐动脉和一条脐静脉）及胎儿颅内大脑中动脉（MCA）时，展现出极强的形态学分辨力。
从采集的多普勒频谱包络线中，UPatch 能够实时解算出收缩期最大流速与舒张末期流速比值（S/D 比值）、搏动指数（PI）、阻力指数（RI）以及胎儿心率（FHR）。基于 Bland-Altman 统计一致性分析，UPatch 与临床标准台式设备之间的均值偏差表现优异：
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• S/D 比值的均值差仅为-0.019±0.274 （相对偏差-0.72％）。 -
• PI 的均值差仅为-0.010±0.117 （相对偏差-0.92％）。 -
• RI 的均值差为-0.004±0.044 （相对偏差-0.64％）。 -
• FHR 的测量偏差更是低至0.95±2.91bpm （相对偏差仅为0.68％）。
此外，两者解算出的脑胎盘比值（CPR，即大脑中动脉 PI 与脐动脉 PI 的比值）表现出极高的一致性，证明 UPatch 完全能够精准定量胎儿在宫内缺氧时出现的“脑部保护效应”（Brain-Sparing Effect）。这一系列极低的一致性偏差确立了可穿戴超声贴片在产科临床替代或辅助笨重手持探头的科学合理性。
3. 算法重塑：基于实时图像分割的主动自主追踪系统
然而，硬件上的突破只是第一步。要在长时间长效监护中消除对专业超声医师手动干预的依赖，贴片系统必须具备自主适应运动的能力。在真实的围产期场景下，胎儿在羊水中不断游动和翻转，孕妇自身的体位改变（如仰卧、侧卧、直立）、深呼吸以及子宫收缩，都会导致目标脐带血管在三维空间中发生剧烈的相对位移。传统的监测探头极其容易因为哪怕一毫米的微小位移而彻底丢失血管信号，导致波形失真或引发假警报。
为了攻克这一行业公认的运动伪影难题，研究团队开发出了一套专为柔性系统优化的实时图像分割与自主追踪算法。系统首先控制 UPatch 以发散波（Diverging Beam）扫描一个极宽的扇形声学视场（FOV），确保移动中的脐带血管始终暴露在声束的扫查范围内。随后，算法通过对连续的双联图像帧进行极速的实时差分图像处理（Inter-frame Color Differences），利用脐动脉管壁和管内红细胞周期性、高频次的收缩与舒张脉动，与平缓非脉动的脐静脉以及静止的母体腹壁组织进行像素特征分离，从而在毫秒级内完成脐动脉的二值化精准图像分割。
一旦分割出动脉脉动区域，算法将计算出该区域最大连通斑块的几何质心，并将其瞬时注册为射束声学聚焦的“取样容积门”（Sample Gate）。此时，贴片瞬间将发射模式切换为窄带高度聚焦声束（Focused Beam），专门向该质心发射高能脉冲以计算多普勒频移，精准获取血流频谱。在发生胎动或体位改变的瞬时，质心发生位移，算法能在纳秒级重新捕获、分割并修正声波发射偏转角度，将取样门牢牢“锁死”在血管中心。
在包含 1000 张超声图像的双盲测试（Double-blind Test）中，该自主追踪算法表现强劲：其自动定位的取样门在轴向和侧向上，分别有 90.5% 和 91.9% 的数据与超声专家的手工配准偏差控制在 2 毫米（临床公认的声学焦点误差极限）以内。
Note
由三位分别拥有 30 年、20 年和 8 年顶级胎儿超声临床经验的专家进行的独立评估结果显示，该算法在 UPatch 采集图像上的“优秀（Optimal）”配准通过率高达 91.2%。与 U-Net 和 ConvLSTM 等需要依赖重型后台运算的深度学习模型相比，该自适应差分算法在确保高精度的同时，将单帧图像的处理时间缩短了 10 倍以上，真正扫清了床旁甚至未来居家边缘端实时处理的技术障碍。
4. 临床范式转移：28 周高危孕妇的个性化基线监护
打破时空盲区、提供连续长效的多参数多普勒流速曲线，不仅是工程层面的飞跃，更深刻地颠覆了现代围产医学的监护范式。通过对 52 名涵盖健康对照、胎儿宫内生长受限（SGA）、大样儿（LGA）、妊娠糖尿病（DB）、先兆子痫（PE）以及慢性高血压（HYN）等不同围产合并症的孕妇进行 1 至 6 小时的连续贴附监护，UPatch 挖掘出了许多原本在瞬时“快照产检”中被完全忽略的生理学真相。
研究分析指出，胎儿的心率（FHR）与反映胎盘外周阻力、血流供氧能力的搏动指数（PI）、阻力指数（RI）等血流动力学指标，在长期生理分布上是完全不相关的。现行的胎心监护仪在判定胎儿宫内窘迫时假阳性率居高不下，往往是因为胎儿睡眠、母体体位临时压迫导致一过性胎心减速，引起虚警和过度干预。相反，UPatch 证实，胎儿血流动力学多普勒指标能直接而灵敏地定量胎盘实质血管网的微循环阻力病变，提供高度独立的临床决策信息。
此外，连续多普勒监测可以帮助医生为每对母婴树立起独特的“个性化动态生理基线”。健康胎儿在发育过程中，也会在一天内由于翻身或短暂脐带压迫而出现一过性的、跌入“异常病理区间”的血流波动。如果依赖传统的单次快照式多普勒扫描，这些暂时的瞬时波动极易被误判为宫内窒息，从而触发高风险的医源性早产终止妊娠。而在真实的严重病理案例中，UPatch 展现了其挽救生命的强大实力。
在一例孕 28 周 3 天合并重度先兆子痫的高危产妇连续监护中，常规的间歇性胎心音及单次流速扫查未见异常。然而，当 UPatch 贴附并开始连续采集后，却揭示了惊人的实情：
胎儿的脐动脉搏动指数（PI）长期徘徊在 2.04（远超正常胎儿第 97.5 百分位数的极危区间），且多普勒频谱图上代表胎死腹中前兆的“舒张末期血流缺失（AEDV）”占比竟然高达 24.9%。这表明该孕妇的胎盘血管床已经大面积梗死，在心脏舒张期血流几乎完全停滞，胎儿已经处于重度宫内窘迫状态。由于贴片连续捕捉到了这一确凿的病理阻力波动趋势，临床医生迅速做出反应，推翻了传统的乐观评估，对其进行高强度特护并在 天后实施了紧急剖宫产。最终新生儿顺利出生并转入 NICU 康复，UPatch 成功挽救了这名宫内极危胎儿的生命。
5. 行业竞争格局：被动电生理、声学听诊与主动超声的主流路线博弈
随着以柔性电子学、低功耗无线射频和边缘端智能算法为核心的医疗物联网（IoMT）的爆发，可穿戴妇幼监护赛道也迎来了一场深刻的技术重组 10。为了清晰剖析 UPatch 柔性主动超声技术在整个高危妊娠及远程母婴健康赛道中所处的技术代际，以下整理了当前全球最具代表性的商业化与前沿学术方案对比：
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分析指出，以 GE 旗下 Monica Novii 为代表的腹部电生理贴片，虽然通过非侵入性采集腹部弱微电信号（fECG/uEMG），免去了传统绑带式超声探头因产妇翻身而导致信号滑脱的苦恼，但它本质上只是一种“电生理被动听诊器”，既没有主动发射波束成像的能力，更不可能提供高危妊娠诊断最急需的脐带及胎儿颅内血管阻力等形态学血流动力学精细指标。同样的瓶颈也困扰着 Nuvo 公司的 INVU 远程监护系统（该平台已被飞利浦深度引入），尽管其通过电极和高灵敏度声学传感器的多模态协同，成功通过了 FDA 用于远程非应激试验（NST）的安全准入，但它依旧无法穿透深部子宫血管，在应对由于胎盘实质性功能退化引发的隐匿性宫内窘迫时，仍存在巨大的技术检测盲区。
在主动式超声贴片前沿赛道上，由麻省理工学院（MIT）赵选贺教授团队研发的“生物粘附超声贴片”（BAUS，目前正通过 Sonologi 等公司推进产业化）是极具代表性的材料学创新方案。其通过将坚韧、抗脱水且能大面积强粘附在湿润皮肤上的水凝胶-弹性体作为耦合介质，将微型刚性超声换能器阵列牢牢贴附在人体表面，实现了长达8 小时的宏观器官长效二维扫描。然而，BAUS 目前仍然停留在静态、中浅表器官二维成像的物理维度上，换能器聚焦深度无法有效覆盖母腹皮下数十厘米深处的复杂运动血管，且缺乏多普勒极速解算和应对胎儿高频、大幅度胎动的算法追踪引擎。
正是在这样一条技术夹缝中，UPatch 柔性主动超声贴片展现出了其独特的工程创新实力。它不仅从声学、力学、电磁屏蔽上彻底重构了柔性硬件，将最大扫查纵深推到了突破性的 20 厘米，更在算法上融入了能够每秒进行成百上千次自主声束修正与分割定位的“自适应多普勒追踪大脑”，从而在兼顾贴片舒适感的同时，把高危妊娠监测的分辨率带入了前所未有的“深部血管多普勒”时代。
参考资料
Park, G., Bian, Y., Huang, H. et al. Fetal monitoring for high-risk pregnancies using a wearable ultrasound patch. Nat Biotechnol (2026). https://doi.org/10.1038/s41587-026-03140-1
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