资讯 | 可穿戴超声技术：从实验室原型到实际应用的技术演进与未来展望- 大数跨境

首页

资讯 | 可穿戴超声技术：从实验室原型到实际应用的技术演进与未来展望

两江科技评论

2026-03-13

导读：本文梳理了该领域的技术进展、应用现状、系统架构挑战与未来发展方向。

文章来源：21dB声学人

近年来，可穿戴超声技术正在从实验室原型走向真实应用场景。这项技术能够实现连续、无创、深层次的组织监测，在医疗健康、人机交互、康复训练等领域展现出巨大潜力。

近日发表于IEEE Reviews in Biomedical Engineering的一篇综述论文《Current Trends in Ultrasound Wearables: Spotlight on System Architecture》，系统梳理了该领域的技术进展、应用现状、系统架构挑战与未来发展方向。

一、应用场景多元化，技术成熟度差异显著

根据论文的分类，可穿戴超声的应用主要集中在三大领域：

图1 不同应用领域的可穿戴超声系统及其需求概览。当前的研发工作侧重于特定应用系统，而基于通用设计规则和方向的共享平台（愿景）虽可加速早期开发，但目前尚不可用或处于非常初级的阶段。

1.医疗监测是最具影响力的应用方向。

从血压、血流速度到心率、呼吸频率，超声技术正在将传统只能在医院进行的检查带入日常生活。

其中，商业化进展最为领先的是血流监测领域：

Flosonics Medical 的 FloPatch 采用连续波多普勒技术，已通过 FDA 认证，可连续监测颈动脉血流速度变化，用于液体管理和血流动力学评估，技术成熟度达到 TRL 8（规模化部署前最终验证阶段）；

Novioscan 的 SENS-U 采用四通道 A-mode 超声，用于尿失禁人群的膀胱容量监测，同样实现商业化（TRL9）；GE HealthCare 的 Novii + 胎儿监护系统也已上市，支持无线胎心监测，技术成熟度为 TRL 9。

然而，大多数前沿医疗应用仍处于原型或验证阶段：

连续血压监测（TRL 7）、可穿戴心脏成像（TRL 6）、经颅多普勒成像（TRL 6）、肝脏弹性成像（ TRL 4）、脑肿瘤术后监测（TRL 4）、气胸检测（TRL 3）等，技术成熟度分布在TRL 3至TRL 7之间，距离广泛临床部署仍需时日。

2.人机接口是另一个快速增长的应用领域。

相比表面肌电信号（sEMG），超声信号不受皮肤阻抗、电极移位和电磁噪声影响，能够更稳定地捕捉深层肌肉运动，实现高精度手势识别。Sgambato等人的研究表明，超声腕带在手腕角度预测精度上已显著优于传统肌电方案。

目前该领域技术成熟度集中在TRL 4至TRL 6级，实验室验证充分，但眼动追踪等应用仍处于早期，距离日常穿戴仍有距离。

3.康复、运动与生活方式领域也在积极探索超声技术的应用，包括肌肉羽状角估计、肌肉疲劳检测、地面反作用力预测、步态分析等。

部分研究已开始在真实环境中测试，如Lyu等人利用超声监测中风患者的步态恢复情况（TRL 6）。该领域技术成熟度跨度较大（TRL 3-7），与医疗监测存在诸多交叉应用，如呼吸监测在运动和临床场景的双重价值。

图2 这幅图由两部分组成：（a）市场数据：展示可穿戴设备的总体市场规模（预计2030年超过37亿美元）及年复合增长率，并细分医疗、工业、消费三大市场。（b）TRL评估：展示各具体应用的技术成熟度，如膀胱监测、胎儿心率监测已达TRL 9（商业化），而多数应用仍处于TRL 4-7之间。图中用不同颜色区分三大领域，并用水平线标示各领域的中位TRL。

二、系统架构：从通用到专用的演进

论文提出了一套通用的超声系统架构，包含发射子系统（TX）、接收子系统（RX）、测量控制单元和计算与通信单元。在此基础上，可穿戴系统必须满足严格的尺寸、重量、功耗、散热、无线传输和安全合规等多重约束，这对系统设计提出了极高要求。

图3 通用超声系统架构

从技术路径上看，可穿戴超声系统可分为两类：

非成像系统（如A-mode、M-mode）结构相对简单，通道数少（通常不超过8通道），功耗低，适用于手势识别、心率监测等任务。

例如，Frey等人开发的开源WULPUS平台采用TI MSP430FR5043超低功耗SoC，整机功耗仅28 mW，可支持三天以上的连续运行，并已在手势识别、心率和呼吸监测中得到验证。

Giordano等人最新提出的PuLsE系统基于Modulus模块化平台开发，采用包络检测技术将功耗降至5.8 mW，实现了基于M-mode的连续心率监测，能量效率达到52 Mbit/J，是目前公开报道中能效最高的可穿戴超声系统之一。

成像系统（如B-mode）则复杂得多，通常需要32通道以上，数据量大、处理复杂，功耗和体积挑战显著。

Lin等人提出的USoP是首批真正意义上的可穿戴超声成像平台之一，采用柔性PCB设计，可贴合皮肤工作，功耗614 mW，支持12小时连续运行。但USoP的软硬件未开源，限制了其作为研究平台的可扩展性。

Vostrikov等人开发的TinyProbe进一步将32通道成像平台集成到57×35×20 mm³的小巧体积内，典型成像模式下功耗为0.97 W（功耗范围0.4-1.2 W），能量效率达22 Mbit/J，并已开源硬件设计，为后续研究提供了重要基础。

三、非脉冲回波技术：低功耗新路径

除了传统的脉冲回波方案，论文也关注了多种非脉冲回波技术，它们通过改变信号形式降低系统复杂度。

Kenny等人开发的Flopatch采用连续波多普勒方案，通过模拟解调将超声信号降至音频带宽，大幅降低采样率要求，用小型ASIC或FPGA即可处理，已实现商业化用于颈动脉血流监测。

Bashatah等人提出的线性调频方案，通过频率与时间的线性关系实现深度编码，仅需 40 kS/s 采样率即可重建 A-mode 信号，数据率较传统方法降低三个数量级，为动态组织成像提供了低电压解决方案。

编码激励方案则通过Barker码、Golay码等方式，在低电压下实现高信噪比。Wang等人采用5位Barker码实现了12.6 dB的脉冲压缩增益，用于儿童夜间遗尿预警系统。

Challinor等人提出的伪随机TOP-CS编码方案甚至可在±2 V超低电压下工作，彻底规避了高压脉冲带来的设计难题，虽尚未应用于医疗领域，但为可穿戴超声提供了极具潜力的技术路径。

图4 可穿戴超声传感器系统的功能与方法多样性概览。

四、核心挑战：系统集成度不足制约发展

尽管技术进步显著，但论文指出，系统级瓶颈而非概念限制，仍是当前可穿戴超声发展的主要障碍。具体体现在：

功耗与性能的平衡难以兼顾。边缘处理可降低通信功耗，但增加计算负担和散热压力；高数据率无线传输又带来功耗激增。当前缺乏专为可穿戴超声优化的专用集成电路（ASIC）或系统级封装（SiP），多数平台仍需MCU、FPGA、模拟前端等分立元件组合，芯片间通信开销和板级复杂度限制了集成度和能效的进一步提升。

尺寸与功能的折中同样棘手。多通道系统性能强，但体积大、散热难；柔性设计提升了佩戴舒适性，却限制了元件布局、散热路径和高压隔离能力。USoP和TinyProbe等柔性平台虽取得突破，但仍难以驱动最新发布的大规模共形阵列（如 Hu 等人的 348 元心脏成像阵列），驱动该阵列需 11 个 TinyProbe 平台，理论总功耗≈11 W，而实际可穿戴设备功耗需控制在 1 W 以内，远超实用范围。

无人监督的可靠性是应用落地的另一道门槛。长期佩戴中，设备需具备自校准、自评估能力，以应对运动伪影、传感器移位等问题。共形换能器的形状自校准（如软件估计、光纤形状传感、电容变化检测等方案）虽可行，但进一步增加了计算复杂度和系统负担，加剧了边缘处理与数据传输之间的设计困境。

五、未来方向：模块化、边缘智能与专用芯片

基于对当前瓶颈的分析，论文提出了分阶段的发展路线图：

短期（1-3年）应优先发展开源、模块化、可重构的开发平台，降低跨学科团队的技术门槛。标准化接口、数据集和基准测试协议将提升系统可比性，加速原型验证。Modulus平台和PuLsE系统的发展路径已初步验证这一思路的可行性。同时，共形封装技术的进步将改善多小时佩戴稳定性和用户舒适度。

中期（3-7年）需要突破专用超声SiP或ASIC，将发射/接收前端、模数转换、波束形成加速器和低功耗控制逻辑深度集成。分布式传感架构——多个微型化超声节点通过人体局域网协同工作——将降低单节点复杂度，实现空间自适应感知。多模态融合（超声+肌电+惯性传感/光学传感）可提升系统鲁棒性和推理质量。同时，连续超声暴露的安全规范和监管路径亟待明确，包括热指数和机械指数的安全阈值界定。

长期（7-10年）有望实现全集成、自主、可扩展的可穿戴超声系统。超大规模柔性换能器阵列（CMUT/PMUT-on-flex）与人体局域网通信将支持分布式感知与协同波束形成。边缘AI加速器使系统直接输出语义级信息（如“血压偏高”、“手势为握拳”、“疲劳预警”），而非原始信号或图像，在降低数据量的同时增强隐私保护，推动可穿戴超声进入个性化医疗、智能康复和人机协作的新时代。

结语

可穿戴超声技术正在从概念验证走向真实应用，其发展瓶颈主要源于系统级工程挑战，而非应用概念本身的局限。随着模块化平台、边缘智能和专用芯片的逐步成熟，我们有理由期待，在不久的将来，贴片式超声设备将像今天的智能手表一样，成为人们日常健康管理和人机交互的得力助手。

论文信息：Weik, D., Nauber, R., Kaiser, E., Kirsch, N., Kunz, R., Schierling, L., ... & Kupsch, C. (2026). Current Trends in Ultrasound Wearables: Spotlight on System Architecture. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, VOL. 0, 2026. DOI: 10.1109/RBME.2026.3664011

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

【声明】内容源于网络

两江科技评论

聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域，打造科研人便捷的交流平台，发布优质新鲜的科研资讯。

内容 6001

粉丝 0

两江科技评论聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域，打造科研人便捷的交流平台，发布优质新鲜的科研资讯。

总阅读13.9k

粉丝0

内容6.0k