基于離電傳感器的指尖脈搏測(cè)試在動(dòng)脈硬化中的應(yīng)用

動(dòng)脈硬化是一種常見的、危害性極大的慢性心血管疾病，是引起中風(fēng)與心肌梗塞的重要因素。在臨床上，通常可以通過對(duì)脈搏波傳導(dǎo)速度（PWV）的測(cè)試來對(duì)動(dòng)脈硬化進(jìn)行評(píng)估與診斷。這種方式一般需要在動(dòng)脈的兩個(gè)不同位置進(jìn)行脈搏檢測(cè)，通過計(jì)算兩個(gè)位置脈搏的路程差與時(shí)間差得到PWV。然而，這種檢測(cè)方法依賴于昂貴且體積龐大的檢測(cè)設(shè)備，難以適用于動(dòng)脈硬化的日常監(jiān)測(cè)。此外，目前基于光電容積法的脈搏檢測(cè)方法易于受到運(yùn)動(dòng)與自然光的干擾。因此，開發(fā)一種非侵入式的，并對(duì)動(dòng)脈硬化進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備，可以為心血管疾病的預(yù)防與治療提供一種有效的解決方案。

近日，南方科技大學(xué)的郭傳飛課題組與南方科技大學(xué)醫(yī)院、深圳技術(shù)大學(xué)等單位合作，研發(fā)了一種基于指尖單點(diǎn)脈搏檢測(cè)的動(dòng)脈硬化診斷系統(tǒng)。研究者用高精度的3D打印技術(shù)制造了一種可線性響應(yīng)的離子凝膠微結(jié)構(gòu)，并將其用于離電型壓力傳感器。該微結(jié)構(gòu)，采用摩方精密2μm精度的nanoArch S130 打印的模具經(jīng)PDMS翻模澆注離子凝膠制備而成，模具中的凹槽長(zhǎng)度大約150μm，類花生殼柱體高度約100μm左右，最大直徑60μm左右。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳感器0~150 kPa范圍內(nèi)的線性壓力-電容響應(yīng)，因此避免了不同預(yù)壓力下器件傳感性能的差異，保證了脈搏檢測(cè)的穩(wěn)定性與可靠性。此外，該傳感器也有著較高的靈敏度（1.2 kPa-1）與壓力分辨率（<1Pa），滿足指尖處微弱的脈搏檢測(cè)需求。相比于腕部脈搏測(cè)試，指尖脈搏測(cè)試中指腹處皮膚無(wú)自主運(yùn)動(dòng)，有效抑制了運(yùn)動(dòng)偽影，在測(cè)試者正?；顒?dòng)下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)5小時(shí)的連續(xù)穩(wěn)定脈搏監(jiān)測(cè)。這種指尖脈搏波可以通過Hiroshi法計(jì)算出心臟-指尖脈搏波傳導(dǎo)速度（hfPWV）。

研究者通過線性擬合，發(fā)現(xiàn)hfPWV與臨床應(yīng)用的臂踝脈搏波速度有著很強(qiáng)的相關(guān)性（r=0.857），因此可以進(jìn)一步結(jié)合年齡實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試者動(dòng)脈硬化狀況的評(píng)估與診斷?；?/span>hfPWV的動(dòng)脈硬化診斷模型，在對(duì)不同程度心血管疾病就診患者的檢測(cè)中達(dá)到了近90%的準(zhǔn)確率，體現(xiàn)了這一方法優(yōu)異的可靠性與普適性，從而為動(dòng)脈硬化的連續(xù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供了一種低成本的策略。

相關(guān)成果以“Arteriosclerosis Assessment Based on Single-Point Fingertip Pulse Monitoring Using a Wearable Iontronic Sensor"為題發(fā)表于國(guó)際期刊《Advanced Healthcare Materials》上，也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖1. 單點(diǎn)法脈搏波傳導(dǎo)速度測(cè)試的機(jī)理。（a）hfPWV測(cè)試機(jī)理示意圖。（b）典型的指尖脈搏波與相應(yīng)的加速脈搏波。（c）傳統(tǒng)兩點(diǎn)法baPWV測(cè)試的機(jī)理。

圖2. 高性能離電傳感器的工作原理與性能。（a）具有線性響應(yīng)的微結(jié)構(gòu)、凸起-平面結(jié)構(gòu)、半球結(jié)構(gòu)在壓力下的變形行為與應(yīng)力分布的力學(xué)模擬。（b）三種結(jié)構(gòu)在壓力下接觸面積變化的力學(xué)模擬。（c）具有線性響應(yīng)的微結(jié)構(gòu)的表面形貌圖。（d）離電傳感器電容隨壓力的變化。（e）不同預(yù)壓力下傳感器對(duì)小壓力的分辨率。（f）響應(yīng)時(shí)間。（g）傳感器在20 kPa壓力下10000次循環(huán)測(cè)試性能。

圖3. 離電傳感器對(duì)指尖脈搏的檢測(cè)性能。（a）手腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中橈動(dòng)脈脈搏的記錄。（b）手指彎曲過程中指尖脈搏的記錄。（c）自然狀態(tài)下傳感器對(duì)測(cè)試者1個(gè)小時(shí)的脈搏記錄。（d）一位25歲男性測(cè)試者在不同預(yù)壓力下脈搏主波（沖擊波）的強(qiáng)度。（e）傳感器對(duì)不同年齡健康測(cè)試者典型脈搏的記錄。（f）測(cè)試者潮波高度隨年齡的變化。

圖4. 通過指尖脈搏波測(cè)試實(shí)現(xiàn)hfPWV的獲取。（a）hfPWV隨年齡的變化趨勢(shì)。（b）hfPWV與心臟-指尖脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間（hfPTT）在運(yùn)動(dòng)前后發(fā)生的變化。（c）對(duì)一位25歲測(cè)試者進(jìn)行5小時(shí)連續(xù)脈搏監(jiān)測(cè)過程中hfPWV與hfPTT的變化趨勢(shì)。（d）3位年齡近似（50歲左右），動(dòng)脈硬化狀況不同（從左到右逐漸嚴(yán)重）的測(cè)試者的脈搏波與加速脈搏波（APW）。（e）通過計(jì)算得到的（d）圖中3位測(cè)試者的hfPWV。

圖5. hfPWV在動(dòng)脈硬化評(píng)估診斷中的應(yīng)用。（a）動(dòng)脈硬化的4種不同程度，從i到iv逐漸嚴(yán)重。（b）通過baPWV與年齡劃分的41位測(cè)試者的動(dòng)脈硬化程度。（c）hfPWV與baPWV的線性擬合。將hfPWV線性轉(zhuǎn)換為baPWV’后，對(duì)41位測(cè)試者baPWV與baPWV’的一致性評(píng)價(jià)。（e）41位測(cè)試者baPWV與hfPWV的偏差。（f）從基于baPWV對(duì)動(dòng)脈硬化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)到基于hfPWV的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換流程。（g）基于hfPWV標(biāo)準(zhǔn)的41位測(cè)試者的動(dòng)脈硬化程度。（h）采用hfPWV標(biāo)準(zhǔn)后對(duì)9位新測(cè)試者的動(dòng)脈硬化程度的評(píng)判。（i）采用baPWV與hfPWV標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)9位新測(cè)試者動(dòng)脈硬化程度評(píng)估的比較。