背景介紹

具有連續監測功能的多功能個人醫療保健是推進下一代精準醫療的關鍵。目前，通過從淺表皮膚收集廣泛的物理或化學信息，一類新興的柔性傳感器展示了它們對體溫、表面電生理信號、汗液、唾液等進行原位分析的能力，然而，這仍然是一個挑戰。血液攜帶著豐富的臨床信息，但由于皮膚屏障，非侵入性獲取血液具有挑戰性。直接測量多種物理和化學血液動力學特性對心血管疾病的早期檢測或治療具有重要意義。例如，持續的血氧飽和度評估，特別是對患者、老年人和嬰兒的血氧飽和度，可以幫助反映患者的氧氣供應能力；化學成分的跟蹤，例如血液中的外源性藥物濃度，提供了有意義的藥代動力學信息；此外，血流動力學分析可以用于心血管疾病的診斷。

血液理化信息的無創監測目前是使用光學或聲學傳感器實現的。隨著光電子技術的進步，接收血液反射光的光學傳感器可以制成柔性薄膜，從而與皮膚緊密粘附。因此，心血管相關參數，包括氧飽和度、葡萄糖水平、血壓和血流，可以被光學監測。然而，由于光子在人體組織內的快速擴散和散射，光學傳感器只能統計地讀出光輻射區域的總體生理信息，但無法解析深層組織中的任何特定血管。類似地，用于皮膚生理學研究的基于熱傳輸特性的血流檢測僅能夠進入淺表脈管系統。

除了光學傳感器之外，檢測從血管傳輸的超聲脈沖的柔性振動傳感器也可以評估心血管相關的血液動力學信息，這些信息已經被很好地小型化并使皮膚變得可塑形；使用振動傳感器可以實現單血管分辨率的深血管測量。然而，涉及超聲技術的振動測量僅對血液的機械特性敏感，無法感知血液生理生物標志物的變化。其他非侵入性方法，如電化學方法，可以從體液（如汗液、眼淚和唾液）間接推斷血液生理參數。盡管如此，外部流體的組成僅部分依賴于血液，也不能立即反映原位血液狀態和血管形態。簡言之，目前的血液傳感器無法定位皮膚下的血管，從而提供有關分布式血液特性的直接信息。除此之外，他們只能提供單一的生理生命測量，從而限制了他們對心血管健康狀況進行全面、多維評估的能力。

本文亮點

1. 本工作報道了一種靈活的光聲血液“聽診器”，用于無創、多參數和連續的心血管監測，無需復雜的程序。光聲血液“聽診器”的特點是光傳輸元件照射血液，壓電聲學元件捕獲光誘導聲波。

2. 光聲血液“聽診器”可以粘附在皮膚上，對多種心血管生物標志物進行連續、無創的原位監測，包括缺氧、血管內外源性藥物濃度衰減和血液動力學，這些都可以通過定制的3D算法進一步可視化。

3. 體內動物試驗和人體受試者的演示突出了光聲血液“聽診器”在心血管疾病診斷和預測方面的潛力。

圖文解析

圖1 光聲血液聽診器（OBS）的設計和工作原理

圖2 光學和聲學元件的設計和特性

圖3 3D成像算法

圖4小鼠缺氧和血管內外源性藥物濃度衰減試驗

圖5 靜脈血管閉塞試驗

圖6 動脈血管閉塞試驗

審核編輯：劉清