基于离电传感器的指尖脉搏测试在动脉硬化中的应用

动脉硬化是一种常见的、危害性极大的慢性心血管疾病，是引起中风与心肌梗塞的重要因素。在临床上，通常可以通过对脉搏波传导速度（PWV）的测试来对动脉硬化进行评估与诊断。这种方式一般需要在动脉的两个不同位置进行脉搏检测，通过计算两个位置脉搏的路程差与时间差得到PWV。然而，这种检测方法依赖于昂贵且体积庞大的检测设备，难以适用于动脉硬化的日常监测。此外，目前基于光电容积法的脉搏检测方法易于受到运动与自然光的干扰。因此，开发一种非侵入式的，并对动脉硬化进行连续准确监测的可穿戴设备，可以为心血管疾病的预防与治疗提供一种有效的解决方案。

近日，南方科技大学的郭传飞课题组与南方科技大学医院、深圳技术大学等单位合作，研发了一种基于指尖单点脉搏检测的动脉硬化诊断系统。研究者用高精度的3D打印技术制造了一种可线性响应的离子凝胶微结构，并将其用于离电型压力传感器。该微结构，采用摩方精密2μm精度的nanoArch S130 打印的模具经PDMS翻模浇注离子凝胶制备而成，模具中的凹槽长度大约150μm，类花生壳柱体高度约100μm左右，最大直径60μm左右。这种结构可以实现传感器0~150 kPa范围内的线性压力-电容响应，因此避免了不同预压力下器件传感性能的差异，保证了脉搏检测的稳定性与可靠性。此外，该传感器也有着较高的灵敏度（1.2 kPa-1）与压力分辨率（<1Pa），满足指尖处微弱的脉搏检测需求。相比于腕部脉搏测试，指尖脉搏测试中指腹处皮肤无自主运动，有效抑制了运动伪影，在测试者正常活动下实现了长达5小时的连续稳定脉搏监测。这种指尖脉搏波可以通过Hiroshi法计算出心脏-指尖脉搏波传导速度（hfPWV）。

研究者通过线性拟合，发现hfPWV与临床应用的臂踝脉搏波速度有着很强的相关性（r=0.857），因此可以进一步结合年龄实现对测试者动脉硬化状况的评估与诊断。基于hfPWV的动脉硬化诊断模型，在对不同程度心血管疾病就诊患者的检测中达到了近90%的准确率，体现了这一方法优异的可靠性与普适性，从而为动脉硬化的连续监测与评估提供了一种低成本的策略。

相关成果以“Arteriosclerosis Assessment Based on Single-Point Fingertip Pulse Monitoring Using a Wearable Iontronic Sensor"为题发表于国际期刊《Advanced Healthcare Materials》上，也得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。

图1. 单点法脉搏波传导速度测试的机理。（a）hfPWV测试机理示意图。（b）典型的指尖脉搏波与相应的加速脉搏波。（c）传统两点法baPWV测试的机理。

图2. 高性能离电传感器的工作原理与性能。（a）具有线性响应的微结构、凸起-平面结构、半球结构在压力下的变形行为与应力分布的力学模拟。（b）三种结构在压力下接触面积变化的力学模拟。（c）具有线性响应的微结构的表面形貌图。（d）离电传感器电容随压力的变化。（e）不同预压力下传感器对小压力的分辨率。（f）响应时间。（g）传感器在20 kPa压力下10000次循环测试性能。

图3. 离电传感器对指尖脉搏的检测性能。（a）手腕关节运动过程中桡动脉脉搏的记录。（b）手指弯曲过程中指尖脉搏的记录。（c）自然状态下传感器对测试者1个小时的脉搏记录。（d）一位25岁男性测试者在不同预压力下脉搏主波（冲击波）的强度。（e）传感器对不同年龄健康测试者典型脉搏的记录。（f）测试者潮波高度随年龄的变化。

图4. 通过指尖脉搏波测试实现hfPWV的获取。（a）hfPWV随年龄的变化趋势。（b）hfPWV与心脏-指尖脉搏波传导时间（hfPTT）在运动前后发生的变化。（c）对一位25岁测试者进行5小时连续脉搏监测过程中hfPWV与hfPTT的变化趋势。（d）3位年龄近似（50岁左右），动脉硬化状况不同（从左到右逐渐严重）的测试者的脉搏波与加速脉搏波（APW）。（e）通过计算得到的（d）图中3位测试者的hfPWV。

图5. hfPWV在动脉硬化评估诊断中的应用。（a）动脉硬化的4种不同程度，从i到iv逐渐严重。（b）通过baPWV与年龄划分的41位测试者的动脉硬化程度。（c）hfPWV与baPWV的线性拟合。将hfPWV线性转换为baPWV’后，对41位测试者baPWV与baPWV’的一致性评价。（e）41位测试者baPWV与hfPWV的偏差。（f）从基于baPWV对动脉硬化评价标准到基于hfPWV的评价标准的转换流程。（g）基于hfPWV标准的41位测试者的动脉硬化程度。（h）采用hfPWV标准后对9位新测试者的动脉硬化程度的评判。（i）采用baPWV与hfPWV标准下对9位新测试者动脉硬化程度评估的比较。