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背景介紹

動脈硬化是一種疾病，通常表現為動脈壁硬化和狹窄。動脈硬化引起的心血管疾病，如心臟病發作和中風，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，被廣泛認為是動脈硬化風險的有效指標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生操作昂貴而笨重的醫療設備(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，醫院的PWV測量通常持續時間較短，這可能不足以準確診斷動脈硬化。因此，有必要開發可穿戴設備，為動脈硬化評估提供連續、無創和精確的PWV監測，該技術在缺乏設備和熟練醫生的農村地區尤其有價值。

柔性壓力傳感器可以將機械刺激轉換為電信號，由于柔性設備可以在人體皮膚上共形層壓進行長期監測，因此被廣泛用于連續模式下的動脈脈搏波檢測。雖然在測量PWV方面已經做出了很大的努力，但現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(主要是關節)的脈搏波然而，這項技術有兩個缺點。首先，人體運動嚴重影響關節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計帶來了進一步的挑戰。另一種解決方案是使用一個柔性壓力傳感器開發單點PWV監測系統。然而，構建這樣一個基于單一柔性傳感器的可穿戴系統是具有挑戰性的，它需要脈沖波檢測的高穩定性和可靠性，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定指尖脈沖監測的單點策略，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表現出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，其準確性與現有的臨床標準相當，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)花生槽結構、花生扁平結構和半球形結構在150 kpa壓力下的應力分布有限元分析結果。(b) 0~150 kpa壓力下微結構離子層與電極接觸面積變化的有限元分析結果。(c)花生槽結構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構。(e) 0~30 kpa范圍內不同基本壓力下傳感器的壓力分辨率。(f)響應時間(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預載荷下，傳感器10000次以上的響應。

圖3 傳感器在脈搏監測中的穩定性和有效性。(a)手腕彎曲和釋放時橈動脈脈搏波監測。(b)指尖彎曲和釋放時的指尖脈沖波監測。(c) 1 h指尖脈沖測試。(d) 25歲男性受試者在不同預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加速脈搏波。后兩例是在醫院通過傳統方法確診的。(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