基于可穿戴离子电子传感器单点指尖脉冲监测的动脉硬化评估

背景介绍

动脉硬化是一种疾病，通常表现为动脉壁硬化和狭窄。动脉硬化引起的心血管疾病，如心脏病发作和中风，一直是全世界死亡的主要原因。对动脉硬化的定量评价研究已经很长时间了，其中脉搏波速度(PWV)是一个与血管弹性模量(或硬化水平)成正比的参数，被广泛认为是动脉硬化风险的有效指标PWV通常通过测量同一动脉距离S处两个位置之间的脉冲传输时间(PTT)来确定(两点法)，即PWV=S/PTT。临床PWV包括肱-踝脉波速度(baPWV)和颈-股脉波速度(cfPWV)，均采用两点法测量。这样的测量通常需要熟练的医生操作昂贵而笨重的医疗设备(例如，欧姆龙colin自动动脉硬化检测器，成本约为6万美元)，部分原因是对两个传感器的同步要求很高。此外，医院的PWV测量通常持续时间较短，这可能不足以准确诊断动脉硬化。因此，有必要开发可穿戴设备，为动脉硬化评估提供连续、无创和精确的PWV监测，该技术在缺乏设备和熟练医生的农村地区尤其有价值。

柔性压力传感器可以将机械刺激转换为电信号，由于柔性设备可以在人体皮肤上共形层压进行长期监测，因此被广泛用于连续模式下的动脉脉搏波检测。虽然在测量PWV方面已经做出了很大的努力，但现有的基于柔性压力传感器的PWV采集仍然采用两点法，即两个传感器同时检测不同动脉位置(主要是关节)的脉搏波然而，这项技术有两个缺点。首先，人体运动严重影响关节层压可穿戴传感器对脉搏波的检测。例如，桡动脉脉搏检测是最广泛使用的，但当手腕向前弯曲时，信号往往无法检测到其次，两个电记录通道信号的同步给电路和算法的设计带来了进一步的挑战。另一种解决方案是使用一个柔性压力传感器开发单点PWV监测系统。然而，构建这样一个基于单一柔性传感器的可穿戴系统是具有挑战性的，它需要脉冲波检测的高稳定性和可靠性，以及基于单个传感器信号的有效PWV计算。

本文亮点

1. 本工作报告了一种基于稳定指尖脉冲监测的单点策略，该策略使用柔性离子电子压力传感器用于心脏指尖PWV（hfPWV）测量。

2. 离子电子传感器在宽的线性范围内表现出0.1 Pa量级的高压力分辨率，允许捕获指尖脉搏波的特征峰值。

3. 建立了一个基于hfPWV的动脉硬化评估模型，其准确性与现有的临床标准相当，并在临床上验证了该模型的有效性。

图文解析

图1 单点法测量脉冲波速(PWV)。(a) hfPWV测量原理示意图。利用附着在指尖上的柔性压力传感器检测脉冲波，提取hfPTT。(b)指尖脉冲波和相应的加速度脉冲波。(c)采用两点法测量baPWV的原理。

图2 离子压力传感器的原理、制造和传感性能。(a)花生槽结构、花生扁平结构和半球形结构在150 kpa压力下的应力分布有限元分析结果。(b) 0~150 kpa压力下微结构离子层与电极接触面积变化的有限元分析结果。(c)花生槽结构离子凝胶的倾斜视图SEM图像。(d)电容随压力(0~200 kpa)的归一化变化。插入图显示了传感器的结构。(e) 0~30 kpa范围内不同基本压力下传感器的压力分辨率。(f)响应时间(2 ms)和松弛时间(6 ms)，通过施加和收回6 kpa的压力来确定。插图：加载和释放力矩的放大。(g)在20 kpa预载荷下，传感器10000次以上的响应。

图3 传感器在脉搏监测中的稳定性和有效性。(a)手腕弯曲和释放时桡动脉脉搏波监测。(b)指尖弯曲和释放时的指尖脉冲波监测。(c) 1 h指尖脉冲测试。(d) 25岁男性受试者在不同预载荷作用下的纵波高度。(e) 23、32、38、45、59岁不同年龄健康受试者指尖脉搏波形。(f) ΔP(峡降与t波压差)随受试者年龄的变化。

图4 利用离子传感器通过指尖脉冲测量获取hfPWV。(a) hfPWV随受试者年龄的变化。(b) 25岁男性受试者运动前、运动中、运动后hfPWT和hfPTT的变化。(c) 25岁受试者hfPWT和hfPTT长期测试(5h)。(d) 52岁健康受试者、53岁轻度动脉硬化受试者、46岁重度动脉硬化受试者指尖脉搏波及相应加速脉搏波。后两例是在医院通过传统方法确诊的。(e)三组受试者hfPWV比较。

图5 基于hfPWV和baPWV的动脉硬化评估模型的比较。(a)动脉硬化程度:软(I/ I)、正常(II/ II)、轻度硬化(III/ III)和严重硬化(IV/ IV)。(b) 41名志愿者的baPWV和年龄值，确定动脉僵硬程度。(c) hfPWV与baPWV的相关性。(d) baPWV和baPWV '的Bland-Altman图。(e) baPWV与hfPWV的偏差。(f)从基于bapwv的模型到基于hfpwv的模型转换的简化图。(g) hfpwv模型41例受试者动脉硬化程度。(h)其他9名志愿者在hfpwv模型中的动脉硬化程度。(i) baPWV模型与hfpwv模型在确定9名志愿者动脉硬化程度方面的比较。

审核编辑：刘清