基于类皮肤微光纤光栅贴片的时空血流动力学监测技术，用于心血管健康监测

心血管疾病是全世界人类生命健康的头号威胁。据世界卫生组织报道，全世界每年有超过1790万人死于心血管疾病。为了对心血管疾病开展健康预警和精准诊疗，血压、心率、外周阻力、血管弹性等血流动力学参数的动态监测至关重要。可穿戴柔性器件具有类皮肤的力学特性、实时动态的工作能力以及高信噪比的传感性能，适合用于心电图、血氧、脉搏等心血管相关生理信号的监测。然而，人体的心血管系统是复杂且呈网络循环分布的，现有的可穿戴柔性器件往往仅评估心血管系统整体的血流动力学参数，无法精准反应局部血管的健康状态。为了满足在临床诊疗和日常健康管理方面日益增长的需求，一种精准的时空血流动力学监测技术是人们梦寐以求的。

以光纤布拉格光栅（FBG）为代表的准分布式光纤传感技术非常适合应用于时空血流动力学监测，其分布式多通道的传感能力、传感节点间极佳的时间同步性和对电磁干扰的免疫为高信噪比多生理信号的检测打下基础。然而，传统的石英材质光纤和人体皮肤相比具有力学特性上的巨大差异，且对人体微弱力学生理信号灵敏度低。使用弹性体材料的柔性封装技术能够一定程度上缓解力学失配，但过厚的封装会进一步降低FBG传感器的力学响应。基于微光纤的光子皮肤具有极佳的柔性、易构型性和疏逝场带来的优越的灵敏度，近年来成为柔性器件领域的一大研究热点。但现有的微光纤光子皮肤缺乏波长编码策略，不具备时间同步的多通道多参量传感能力。

近日，南京大学徐飞教授、陈烨研究员、陆延青教授团队联合南京鼓楼医院徐标主任医师、戴庆主治医师团队针对上述难点提出了一种基于类皮肤微光纤光栅组的时空血流动力学监测技术。该技术使用微光纤搭配百微米厚的超薄柔性封装技术制备微光纤皮肤贴片，通过有效降低器件等效模量和微光纤横截面积将传感器对微小应力的响应提高了2个数量级（面对50 mN以内的压力，灵敏度为5.26 nm/N），且在10，000次压力作用下呈现出良好的重复性和稳定性。此外，该技术利用飞秒激光直写技术无创地将光栅刻至微光纤的内部，为多个微光纤皮肤贴片提供不同的波长编码，赋予其多通道同步传感能力。通过将微光纤光栅皮肤贴片串联成组，人体各节点多生理信号能够被同时感知并通过不同的工作波长被分辨。由于以光为载体的生理信号在微光纤光栅组中以接近光速传播，因此人体多节点生理信号的时间同步性仅受限于光纤光栅解调设备。通过检测微光纤光栅组人体心血管系统中近端心冲击信号和远端各浅表动脉处的脉搏波，进而计算脉搏波传播时间（PTT），构建了时空血流动力学监测技术。

图1 类皮肤微光纤光栅贴片

通过检测心血管系统近远端的机械信号（而非电生理活动信号），该监测技术能够呈现全身心血管系统心脏搏动、血管扩张、脉搏波传播的真实的全力学过程。该研究提出了三种血流动力学检测工作模式。首先，颈动脉、桡动脉、足背动脉等人体不同浅表动脉位置处的脉搏波被采集，并配合心冲击信号分析出脉搏波沿三条不同动脉支路的PTT，不同的PTT来源于血管长度、直径、弹性模量的差异，该工作模式可以实现心血管系统中局部动脉支路的健康评估。其次，微光纤光栅组动态记录了受试者在运动和静息两种状态切换过程中的双路生理信号，通过心动周期计算实时心率，计算得的脉搏波传播速度变化反映血压的变化。此外，微光纤光栅组动态记录了动脉在受迫过程中的双路生理信号，PTT的变化能够高灵敏地反映出相应动脉外周阻力的不同程度，首次提出了实时动态的局部血管外周阻力监测方案。

图2 可配置的时空血流动力学监测

该研究充分发展了基于微光纤光栅组的多通道同步传感技术，该技术具有时间动态、空间分布、易组网可配置、高灵敏度、高柔性的显著优势。所提出的时空血流动力学监测技术具备实时动态地评估全身心血管系统中局部血管健康状态的工作能力，在血栓、血管硬化、高血压等心血管疾病的精准诊疗、快速早筛、健康预警等方面有着广泛的应用前景。

该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1401103），国家自然科学基金（61925502， 51772145）支持。研究成果以“Spatiotemporal hemodynamic monitoring via configurable skin-like microfiber Bragg grating group”为题发表在Opto-Electronic Advances期刊上。

论文信息：

DOI： 10.29026/oea.2023.230018