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基于离电传感器的指尖脉搏测试在动脉硬化中的应用

更新时间:2023-09-07      点击次数:375

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。


1. 单点法脉搏波传导速度测试的机理。(ahfPWV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。

 

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。

 

 

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。

 

4. 通过指尖脉搏波测试实现hfPWV的获取。(ahfPWV随年龄的变化趋势。(bhfPWV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hfPWVhfPTT的变化趋势。(d3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

 

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iiv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。(chfPWVbaPWV的线性拟合。将hfPWV线性转换为baPWV’后,对41位测试者baPWVbaPWV’的一致性评价。(e41位测试者baPWVhfPWV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baPWVhfPWV标准下对9位新测试者动脉硬化程度评估的比较。