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威廉希尔官方网站 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