01 研究背景

人體血管的動(dòng)態(tài)變化蘊(yùn)含豐富生理健康信息。深層動(dòng)脈脈搏是診斷動(dòng)脈硬化等心血管疾病的基礎(chǔ)，而淺層皮膚毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)的灌注狀態(tài)則與外周動(dòng)脈疾?。≒AD）等病理狀況密切相關(guān)。通過(guò)可穿戴設(shè)備同時(shí)監(jiān)測(cè)深層和淺層血管網(wǎng)絡(luò)，可幫助醫(yī)療人員追蹤患者心血管疾病的病理變化，并為患者提供便捷的個(gè)人健康護(hù)理。近年穿戴式血管監(jiān)測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，但現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法仍面臨挑戰(zhàn)：對(duì)于被動(dòng)式傳感器，其感知模態(tài)較為單一，需要預(yù)壓力增強(qiáng)對(duì)脈搏波獲取的靈敏度，無(wú)法獲取自然狀態(tài)下的深/淺層血管特征信息；對(duì)于主動(dòng)式傳感器，其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受界面?zhèn)斡芭c接觸狀態(tài)影響。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠原位、非侵入、抗界面干擾、無(wú)感、連續(xù)監(jiān)測(cè)多維血管動(dòng)態(tài)特征的穿戴式設(shè)備具有重要科學(xué)意義和臨床價(jià)值。

為此，朱榮教授研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于主動(dòng)熱滲透感知原理的柔性熱敏陣列傳感器，利用人體皮膚天然壓熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)結(jié)合非接觸式微氣腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維血管動(dòng)態(tài)特征的高靈敏、高魯棒捕捉。利用該可穿戴傳感器系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)深層脈搏與淺層毛細(xì)血管灌注信號(hào)的頻率分離提取，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高保真脈搏時(shí)空映射及血流等信息監(jiān)測(cè)。結(jié)合集成學(xué)習(xí)算法，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于多模態(tài)特征融合的無(wú)感連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。該成果不僅突破了傳統(tǒng)穿戴式心血?jiǎng)恿y(cè)量在精準(zhǔn)性、時(shí)空維度、界面?zhèn)斡吧系木窒?，還通過(guò)多維信息的融合大幅提升了心血管健康評(píng)估的準(zhǔn)確性。

02 創(chuàng)新點(diǎn) 研制出一種多通道柔性熱敏陣列傳感器，通過(guò)人體皮膚壓熱效應(yīng)和微氣腔設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳感單元的非接觸式測(cè)量。傳感系統(tǒng)基于主動(dòng)熱滲透感知原理，穿戴于人體腕部，實(shí)現(xiàn)對(duì)深層動(dòng)脈脈搏、淺層毛細(xì)血管灌注、血流相對(duì)速度、皮膚溫度的無(wú)感、連續(xù)同步追蹤；通過(guò)多維信息的融合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的無(wú)感連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1 柔性熱敏陣列傳感器進(jìn)行深/淺層血管

多維監(jiān)測(cè)原理示意圖

研制的柔性熱敏陣列傳感器基于主動(dòng)熱滲透感知原理。傳感器佩戴于人體腕部，利用傳感器背部的PDMS層阻隔外部環(huán)境影響，使傳感單元主要與皮膚組織進(jìn)行熱交換。由于人體皮膚具有天然的壓熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，深層動(dòng)脈搏動(dòng)引起的壓力變化和淺層毛細(xì)血管灌注引起的熱導(dǎo)率變化可被陣列中的熱膜單元靈敏捕捉。通過(guò)頻率分離，傳感器可同步解析出高頻的深層脈搏波形和低頻的淺層毛細(xì)血管灌注變化，并進(jìn)一步通過(guò)對(duì)多陣列單元信號(hào)解算以獲取脈搏的脈寬、血流相對(duì)速度、皮膚溫度在內(nèi)的多維生理信息。

圖2柔性熱陣列傳感器對(duì)深/淺層血管動(dòng)力檢測(cè)原理和傳感特性測(cè)試結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)結(jié)合微氣腔結(jié)構(gòu)的熱敏傳感器特性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，傳感器具有高靈敏、快響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化微氣腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)傳感器的線性度與界面魯棒性，穿戴式傳感器在無(wú)感、無(wú)壓、非接觸條件下可以高保真地獲取脈搏波形。

基于惠斯通電橋電路和溫度補(bǔ)償算法，該傳感器壓力信號(hào)展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫漂特性，減少了皮膚溫度波動(dòng)對(duì)脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)的干擾。微型化設(shè)計(jì)的熱敏單元使傳感器在低功率下實(shí)現(xiàn)高靈敏并具有較低的單元間串?dāng)_，能夠清晰感知微弱血管搏動(dòng)的空間分布。

圖3 利用柔性熱陣列傳感器實(shí)現(xiàn)血管搏動(dòng)的時(shí)空監(jiān)測(cè)

研究團(tuán)隊(duì)利用傳感器的高靈敏和陣列化特性，無(wú)需施加預(yù)壓力即可獲取到自然狀態(tài)下動(dòng)脈血管的時(shí)空映射。通過(guò)陣列信號(hào)分析，傳感系統(tǒng)可提取自然脈搏波的強(qiáng)度、脈寬及血管位置信息。利用該傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心血管特征指標(biāo)測(cè)量、以及溫度-血管搏動(dòng)幅度同步監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步，利用穿戴系統(tǒng)可同步記錄中醫(yī)脈診中的寸關(guān)尺三部的脈搏波形，為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診斷提供量化工具。

圖4 利用柔性熱陣列傳感器監(jiān)測(cè)淺層毛細(xì)血管灌注和

血流相對(duì)速度

除深層脈搏搏動(dòng)監(jiān)測(cè)外，柔性熱陣列傳感器還可靈敏捕捉淺層毛細(xì)血管的灌注變化。在皮膚觸摸實(shí)驗(yàn)中，傳感器陣列成功識(shí)別了手指在皮膚表面書寫數(shù)字時(shí)引起的淺表灌注再分布。在袖帶阻斷反應(yīng)性充血實(shí)驗(yàn)中，傳感器同步監(jiān)測(cè)深層血管血流速度與淺層皮膚溫度的動(dòng)態(tài)變化，監(jiān)測(cè)結(jié)果與激光多普勒血流儀（LDF）高度同步，驗(yàn)證了其在評(píng)估血管內(nèi)皮功能方面的應(yīng)用潛力。

圖5柔性熱陣列傳感器用于心血管評(píng)估的特征提取與

多模態(tài)融合實(shí)現(xiàn)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)更全面的心血管健康評(píng)估，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于XGBoost集成學(xué)習(xí)算法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)從傳感器陣列信號(hào)中提取包括脈搏波形特征、深層血管空間特征和淺層灌注特征在內(nèi)的三類特征，相比于僅依賴脈搏波形特征的單一模態(tài)方法，融合多模態(tài)血管信息可以有效提高連續(xù)血壓估計(jì)的準(zhǔn)確性。

研究團(tuán)隊(duì)研制了基于新型主動(dòng)熱滲透感知的柔性熱敏陣列傳感器，提出了對(duì)深/淺層血管動(dòng)力進(jìn)行無(wú)感、多維、原位監(jiān)測(cè)的熱感應(yīng)方法。研究利用人體皮膚天然的壓熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)結(jié)合微氣腔結(jié)構(gòu)，使穿戴設(shè)備具有較好的抗界面干擾能力，能夠獲取高保真血管動(dòng)力信息，為解決現(xiàn)有血管監(jiān)測(cè)模態(tài)單一、魯棒性差等問(wèn)題提供了新技術(shù)方案。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出基于多模態(tài)特征融合的心血管解析算法，相較于傳統(tǒng)算法依賴單一脈搏波特征，提升了連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，為實(shí)現(xiàn)全周期的個(gè)人健康管理與臨床精準(zhǔn)醫(yī)療提供新科學(xué)方法和技術(shù)基座。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5803

審核編輯 黃宇