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背景介紹

動脈硬化是一種疾病，通常表現(xiàn)為動脈壁硬化和狹窄。動脈硬化引起的心血管疾病，如心臟病發(fā)作和中風(fēng)，一直是全世界死亡的主要原因。對動脈硬化的定量評價研究已經(jīng)很長時間了，其中脈搏波速度(PWV)是一個與血管彈性模量(或硬化水平)成正比的參數(shù)，被廣泛認為是動脈硬化風(fēng)險的有效指標PWV通常通過測量同一動脈距離S處兩個位置之間的脈沖傳輸時間(PTT)來確定(兩點法)，即PWV=S/PTT。臨床PWV包括肱-踝脈波速度(baPWV)和頸-股脈波速度(cfPWV)，均采用兩點法測量。這樣的測量通常需要熟練的醫(yī)生操作昂貴而笨重的醫(yī)療設(shè)備(例如，歐姆龍colin自動動脈硬化檢測器，成本約為6萬美元)，部分原因是對兩個傳感器的同步要求很高。此外，醫(yī)院的PWV測量通常持續(xù)時間較短，這可能不足以準確診斷動脈硬化。因此，有必要開發(fā)可穿戴設(shè)備，為動脈硬化評估提供連續(xù)、無創(chuàng)和精確的PWV監(jiān)測，該技術(shù)在缺乏設(shè)備和熟練醫(yī)生的農(nóng)村地區(qū)尤其有價值。

柔性壓力傳感器可以將機械刺激轉(zhuǎn)換為電信號，由于柔性設(shè)備可以在人體皮膚上共形層壓進行長期監(jiān)測，因此被廣泛用于連續(xù)模式下的動脈脈搏波檢測。雖然在測量PWV方面已經(jīng)做出了很大的努力，但現(xiàn)有的基于柔性壓力傳感器的PWV采集仍然采用兩點法，即兩個傳感器同時檢測不同動脈位置(主要是關(guān)節(jié))的脈搏波然而，這項技術(shù)有兩個缺點。首先，人體運動嚴重影響關(guān)節(jié)層壓可穿戴傳感器對脈搏波的檢測。例如，橈動脈脈搏檢測是最廣泛使用的，但當(dāng)手腕向前彎曲時，信號往往無法檢測到其次，兩個電記錄通道信號的同步給電路和算法的設(shè)計帶來了進一步的挑戰(zhàn)。另一種解決方案是使用一個柔性壓力傳感器開發(fā)單點PWV監(jiān)測系統(tǒng)。然而，構(gòu)建這樣一個基于單一柔性傳感器的可穿戴系統(tǒng)是具有挑戰(zhàn)性的，它需要脈沖波檢測的高穩(wěn)定性和可靠性，以及基于單個傳感器信號的有效PWV計算。

本文亮點

1. 本工作報告了一種基于穩(wěn)定指尖脈沖監(jiān)測的單點策略，該策略使用柔性離子電子壓力傳感器用于心臟指尖PWV（hfPWV）測量。

2. 離子電子傳感器在寬的線性范圍內(nèi)表現(xiàn)出0.1 Pa量級的高壓力分辨率，允許捕獲指尖脈搏波的特征峰值。

3. 建立了一個基于hfPWV的動脈硬化評估模型，其準確性與現(xiàn)有的臨床標準相當(dāng)，并在臨床上驗證了該模型的有效性。

圖文解析

圖1 單點法測量脈沖波速(PWV)。(a) hfPWV測量原理示意圖。利用附著在指尖上的柔性壓力傳感器檢測脈沖波，提取hfPTT。(b)指尖脈沖波和相應(yīng)的加速度脈沖波。(c)采用兩點法測量baPWV的原理。

圖2 離子壓力傳感器的原理、制造和傳感性能。(a)花生槽結(jié)構(gòu)、花生扁平結(jié)構(gòu)和半球形結(jié)構(gòu)在150 kpa壓力下的應(yīng)力分布有限元分析結(jié)果。(b) 0~150 kpa壓力下微結(jié)構(gòu)離子層與電極接觸面積變化的有限元分析結(jié)果。(c)花生槽結(jié)構(gòu)離子凝膠的傾斜視圖SEM圖像。(d)電容隨壓力(0~200 kpa)的歸一化變化。插入圖顯示了傳感器的結(jié)構(gòu)。(e) 0~30 kpa范圍內(nèi)不同基本壓力下傳感器的壓力分辨率。(f)響應(yīng)時間(2 ms)和松弛時間(6 ms)，通過施加和收回6 kpa的壓力來確定。插圖：加載和釋放力矩的放大。(g)在20 kpa預(yù)載荷下，傳感器10000次以上的響應(yīng)。

圖3 傳感器在脈搏監(jiān)測中的穩(wěn)定性和有效性。(a)手腕彎曲和釋放時橈動脈脈搏波監(jiān)測。(b)指尖彎曲和釋放時的指尖脈沖波監(jiān)測。(c) 1 h指尖脈沖測試。(d) 25歲男性受試者在不同預(yù)載荷作用下的縱波高度。(e) 23、32、38、45、59歲不同年齡健康受試者指尖脈搏波形。(f) ΔP(峽降與t波壓差)隨受試者年齡的變化。

圖4 利用離子傳感器通過指尖脈沖測量獲取hfPWV。(a) hfPWV隨受試者年齡的變化。(b) 25歲男性受試者運動前、運動中、運動后hfPWT和hfPTT的變化。(c) 25歲受試者hfPWT和hfPTT長期測試(5h)。(d) 52歲健康受試者、53歲輕度動脈硬化受試者、46歲重度動脈硬化受試者指尖脈搏波及相應(yīng)加速脈搏波。后兩例是在醫(yī)院通過傳統(tǒng)方法確診的。(e)三組受試者hfPWV比較。

圖5 基于hfPWV和baPWV的動脈硬化評估模型的比較。(a)動脈硬化程度:軟(I/ I)、正常(II/ II)、輕度硬化(III/ III)和嚴重硬化(IV/ IV)。(b) 41名志愿者的baPWV和年齡值，確定動脈僵硬程度。(c) hfPWV與baPWV的相關(guān)性。(d) baPWV和baPWV '的Bland-Altman圖。(e) baPWV與hfPWV的偏差。(f)從基于bapwv的模型到基于hfpwv的模型轉(zhuǎn)換的簡化圖。(g) hfpwv模型41例受試者動脈硬化程度。(h)其他9名志愿者在hfpwv模型中的動脈硬化程度。(i) baPWV模型與hfpwv模型在確定9名志愿者動脈硬化程度方面的比較。

審核編輯：劉清