心血管疾病（Cardiovascular diseases，简称CVDs），如冠状动脉疾病、中风、心力衰竭、高血压和心律失常等，已成为全球领先的死亡原因。根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年约有1790万人因CVDs死亡，占全球死亡总数的约31%。随着全球老龄化问题日益严重，CVDs的死亡率预计会继续上升。不良的生活方式是主要诱因之一，如高盐高脂饮食、缺乏体育锻炼、吸烟和过度饮酒。此外，高血压、高血脂、糖尿病等慢性疾病也是心血管病发生的重要风险因素。定期的风险筛查可显著降低心血管疾病的发病率，精确的心血管检查可以有效地促进心血管疾病的治疗。目前，血压、心电图（ECG）、超声心动图和心外膜监测是用于筛查CVDs的主要方法。然而，用于这些检测的传统医疗器械通常面临体积庞大、难以携带、功能单一、操作繁琐等问题。
柔性电子技术的出现为上述问题提供了全新的解决方式。不同于传统的硅基刚性电子受制于摩尔定律，柔性电子具有轻、薄、柔、小等特性，能够适形于复杂表面，既可以贴在皮肤上（表皮电子），又能够与衣服结合（织物电子），甚至可以植入到人体内（可植入电子）。柔性电子具备无创、连续、原位、实时和舒适监测关键生理信号的能力，在跟踪和监测代谢紊乱、心血管问题、糖尿病等慢性症状方面尤为突出。通过对血压、心电图、超声心动图和心外膜等生理信号的持续有效监测，柔性电子可以检测CVDs的早期指标并提出个性化治疗，改善患者的预后。根据其工作机理，柔性电子在CVDs方面的应用可大致分为三类：i）柔性机械电子，利用自身机械变形和弹性波与被测物体的相互作用；ii）柔性光学电子，利用光波与被测物体的相互作用；iii）柔性声学电子，利用声波与被测物体的相互作用。
2023年7月28日，来自中国医学科学院阜外医院的李守军教授、黄源医师与来自西安电子科技大学杭州研究院的江山副教授合作以“Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring”为题在国际知名杂志The Innovation (IF: 32.1)发表了综述文章，他们系统总结了柔性电子在CVDs监测方面的最新进展，聚焦于血压、心电图、超声心动图和心外膜四个典型临床应用场景，并给出了柔性电子之于CVDs临床应用这一医工交叉领域的挑战和发展方向。
图1. 柔性电子用于心血管健康与疾病监测
柔性电子用于血压监测
血压测量在CVDs监测中是一个简单但又重要的方法，它能够帮助早期发现和预防心血管问题，评估风险水平，并监测治疗效果。相较于传统袖带法，柔性电子能够无创、连续、实时监测血压。目前，柔性电子用于血压监测主要是柔性机械传感器、柔性光学传感器、柔性声学传感器。限于篇幅，此处只展示第一种（图2），感兴趣的读者可查阅原文。图2A给出了血压和脉博的测量原理，即通过柔性压力/应变传感器测量血管的舒张变化。图2B-2F是研究者们在提高精度、降低信噪比、抑制伪影等方面的代表性进展。现阶段，柔性机械传感器在脉搏和血压监测方面的临床应用主要受到灵敏度不足、运动伪影、高能耗等限制，未来的研究需要首先解决灵敏度和持续性问题，同时降低能耗。
图2. 柔性压力/应变传感器测量脉搏和血压
柔性电子用于心电图监测
ECG监测是另一种安全、无创、简单且有效的CVDs监测方法，通过测量心脏的电信号来评估心脏的功能和节律。目前，柔性电子应用于ECG监测主要是通过柔性电极，即柔性干电极和柔性湿电极，二者的区别在于湿电极需要凝胶/贴片等粘附介质而干电极不需要。湿电极能提供更优的信号质量，但粘附介质存在材料要求高、后续清洁等缺点；干电极可直接使用，信号强度更高，但易导致伪影。图3展示了柔性干电极用于ECG监测。研究者仿树蛙脚垫和章鱼吸盘结构调整电极表面形貌以增强粘附作用并有效抑制伪影（图3A）或采用分形设计出超薄、超软的电极并应用于新生儿的ECG监测（图3B）。
图3. 柔性干电极用于ECG监测
柔性电子用于超声心动图监测
超声心动图监测是一种非侵入性的心脏检查技术，利用超声波来产生心脏及其各种组成部分的实时图像，以评估心脏的结构和功能，在CVDs监测中有广泛的应用。目前，柔性电子（主要是柔性超声贴片）应用于超声心动图监测最具代表性的成果来自麻省理工学院赵选贺教授于2022年6月提出的生物粘附超声贴片（图4A）及加州大学圣地亚哥分校徐升教授于2023年1月提出的可拉伸超声贴片（图4B）。这两项工作分别展示了柔性超声贴片的两种不同发展路径，前一种通过水凝胶制成的耦合剂将硬质传感探头粘附于皮肤，在器件性能方面更胜一筹；后一种采用本征可拉伸材料制备传感探头，具有更好的穿戴舒适性，这两种发展路径各具优势。
图4. 柔性超声贴片用于超声心动图监测
柔性电子用于心外膜监测
心外膜监测是指直接测量或监测心脏表面生理参数的侵入性方法，直接测量或监测心外膜的电活动、血流或其他生理参数，在CVDs监测中具有不可取代的作用。另外，通过直接心外膜监测技术，医学界能够更深入了解心血管系统，为CVDs的早期诊断和治疗提供更准确、更有针对性的支持。不同于上述无创方法，作为一种植入式策略，心外膜监测会带来一定的风险，如感染、移位、二次损伤等。柔性电子的生物相容性、生物可降解、无线传输、自供电、超薄而多功能等特点，有可能最大限度地减少侵入性风险。图5展示了几种柔性传感器应用于心外膜监测，这些传感器环绕动脉或附着在心肌表面，输出电信号能够反映生理和病理心血管状态，例如心内膜压(EP)、心室颤动和室性早搏等。
图5. 柔性电子应用于心外膜监测
结论与展望
柔性电子颠覆性地改变了传统医疗监测器件、设备和系统的刚性物理形态，使其具有轻薄柔软、可穿戴、可植入和零负荷的优势，实现医学信息与人、物体和环境的高效共融，是未来智慧医疗的信息源头，具有匹配环境的可变形特性、轻薄多层的器件集成特性、柔性芯片与柔性电路集成特性、与人体共形贴合的高可穿戴特性等优势。柔性电子在医学上的应用已经是必然的趋势，具有无比广阔的临床转化应用前景，保守估计可达千亿级市场规模。本文旨在从实际临床应用的角度激发相关领域研究人员的兴趣和好奇心。为此，本文试图回答以下问题：柔性电子在心血管健康监测方面可以提供哪些优势？目前有哪些限制？如何获得适用于临床应用的合格柔性电子设备？一方面，本文向柔性电子领域研究人员展示了心血管监测临床需求所带来的挑战，另一方面向其他领域研究人员，尤其是临床医学领域从业者，介绍了柔性电子在心血管监测方面所带来的新的可能性。
图6 柔性电子有望成为心血管健康监测的新趋势
原文链接及简介：
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00113-3
【作者简介】
李守军，现任中国医学科学院阜外医院小儿心脏外科中心主任及小儿外科一病区主任，主任医师，博士生导师，享受政府特殊津贴；兼任中国医师协会胸心血管外科学分会先天性心脏病委员会主任委员；《中华医学研究杂志》、《中华临床医药杂志》、《中华临床医师杂志》、《中国循环杂志》等杂志编委；国际著名杂志《柳叶刀》特邀审稿人；“新世纪百千万人才工程”国家级人选；2011年度协和创新团队带头人；2013年荣获中国名医百强榜先天性心脏病外科TOP10；2019年成为美国胸心外科协会会员。从事先心病外科30年，完成各类心脏手术近10000余例，擅长复杂、危重先天性心脏病的外科治疗，手术成功率居国际领先水平。带领的小儿心脏外科中心团队年手术量超过4500例，成为全球手术量最多的先心病诊治中心。主持“十三五国家重点研发计划”项目、“国家自然科学基金”面上项目、“首都医学发展基金”项目和“首都临床特色应用研究专项计划”项目，承担“十一五、十二五等国家科技支撑计划”子课题、“973计划”子课题等多项国家级和省部级科研课题。发表SCI论文共62篇，相关成果发表在The Lancet Child&Adolescent Health (IF:37.7)、The innovation (IF:32.1)、Microbiome (IF:16.8)、The Lancet Regional Health-Western Pacific (IF:8.5)、Journal of thoracic and cardiovascular surgery (IF:6)等国际权威期刊，多次受邀在EACTS Annual Meeting、ESC Congress、AATS、AHA大会作专题发言，荣获国家科技进步奖2项，北京科学技术奖3项，中华医学科技奖1项。
黄源：医学博士，现为中国医学科学院阜外医院心脏外科医师。主要研究方向为心血管疾病相关的柔性电子材料研究、人工智能与大数据研究、肠道菌群研究、心衰发病机制研究、心血管与代谢疾病负担研究等。第一/通讯作者在The innovation (2篇, IF:32.1)、Microbiome (IF:16.8)、Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology (IF:10.5)、World Journal of Pediatrics (IF:8.7)等国际知名杂志发表多篇高水平SCI论文。同时担任The innovation 杂志(IF:32.1)青年编委，iMeta杂志执行副主编, MedComm 杂志(IF: 9.9) 学术编辑。主持中央高水平医院临床科研业务费基金1项。
江山：工学博士，西安电子科技大学副教授。主要研究方向为柔性电子、超材料、智能感知等，第一/通讯作者在Advanced Materials（2篇，IF：29.4）、The Innovation（2篇，IF：32.1）、Materials & Design（IF：8.4）、Carbon（IF：10.9）、Composite Structures（IF：6.3）等国际知名杂志发表SCI论文16篇，其中中科院一区8篇，高被引1篇，出版英文专著1部。主持国家自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费（西电优青储备）、航空科学基金、博士后基金特别资助/面上项目等。以核心骨干参与科技部重点研发计划4项、国家自然科学基金联合基金项目2项、航空院所项目2项等，担任英文期刊Biomaterials and Biosensors 执行副主编，国家自然科学基金机械方向函评专家，中科院一区SCI期刊Rare Metals（IF：8.8）客座编辑，Advanced Functional Materials、The Innovation、Nonlinear Dynamics、《振动与冲击》等20余本国内外学术期刊审稿人。
转自：“iNature”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
