研究背景
心血管疾病(CVDs)，如冠心病、中风、心力衰竭、高血压和心律失常，已成为全球死亡的主要原因。据世界卫生组织 (WHO) 估计，每年因心血管疾病死亡的人数约为 1790万约占全球死亡总人数的 31%。心血管疾病的风险随着年龄的增长而增加，在 40 岁以上的人群中更为常见。传统上，男性心血管疾病发病率较高，但近年来这一差距正在缩小。随着全球人口老龄化日益严重，可以预见心血管疾病导致的死亡人数将继续增加。主要原因和风险因素包括不健康的生活方式、高血压、高胆固醇、糖尿病和家族史。早期发现、早期干预和定期进行风险筛查可大大降低心血管疾病的发病率。尤其是对心脏和血管的精确检测可有效促进心血管疾病的治疗。目前，血压(BP)、心电图(ECG)、超声心动图和直接心外膜监测是心血管疾病筛查的主要方法。连续心电图监测有助于在特定情况下检测心律失常和相关心脏疾病。直接心外膜监测可更精确、更实时地监测心脏的电活动和功能(如电生理数据、心肌缺血和存活能力)。然而，医院用于这类监测的传统医疗仪器通常体积庞大、不易移动、功能单一，而且高度依赖医生，导致时间耗费和无法及时提供服务，尤其是在紧急情况下。因此，心血管医疗领域对解决此类难题的需求日益增长。最近开发的柔性电子器件突破了这些限制，为医疗保健方法开辟了一条新途径。
柔性电子产品的出现开创了以用户为导向的舒适设备的新纪元。与受摩尔定律限制的传统硅基刚性电子器件不同，柔性电子器件轻薄、低模量、可拉伸，使其对任意表面的物体“机械隐形”。柔性电子器件可以安装在皮肤上，与衣物相连，甚至植入人体，即表皮电子器件、可穿戴电子器件和植入式电子器件。柔性电子产品可对关键生物信号进行无创、连续、现场、实时和舒适的监测，为预防保健和疾病诊断提供临床相关指标。此外，柔性电子产品尤其有利于跟踪和监测代谢紊乱、心血管问题和糖尿病等慢性症状，这对老年人群非常重要。在此，作者重点介绍柔性电子技术在心血管保健方面的应用，如图 1 所示。通过连续可靠的血压、心电图、超声心动图和直接心外膜监测，柔性电子设备可以改善患者的治疗效果，促进个性化治疗。这种设备可以安装在身体的各个部位，如手臂、手腕、胸部、头部以及体液。根据基本机制，用于心血管医疗保健的柔性电子器件可分为三类：(1)柔性机械电子器件，依靠机械变形和弹性波的相互作用；(2)柔性光学电子器件，利用光与物质的相互作用；以及(3)柔性声学电子器件，利用声与物质的相互作用。
研究成果
心血管疾病(CVDs)是对全球人最紧迫的威胁之一，几乎占全球死亡率的三分之一。在过去十年中，用于心血管疾病监测和治疗的柔性电子技术研究引起了极大关注。与医院中通常笨重、不易移动、功能单一且耗时的传统医疗仪器相比，柔性电子设备能够进行连续、无创、实时和便携式监测。这一新兴领域已经取得了显著进展，因此，一些重大成果和随之而来的研究前景值得关注，以利于实际应用。在此，作者全面回顾了用于 CVD 的柔性电子技术的最新进展，重点介绍了柔性电子技术提供的新功能。首先，简要回顾了 CVD 和柔性电子器件的特点以及二者结合的基础。然后，阐述了柔性电子技术在心血管疾病中的四个代表性应用:血压(BP)监测、心电图 (ECG) 监测、超声心动图监测和直接心外膜监测。讨论了它们的工作原理、进展、优缺点以及未来的努力方向。最后，概述了柔性电子技术在心血管医疗保健方面仍然面临的挑战和机遇。相关研究以“Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring”为题发表在The Innovation期刊上。
图文导读
Figure 1. Conceptual illustration of flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring.
Figure 2. Flexible mechanical sensors for pulse and BP monitoring.
Figure 3. Flexible optical sensors for pulse and BP monitoring.
Figure 4. Flexible acoustic sensors for pulse and BP monitoring.
Figure 5. Flexible wet electronics for ECG monitoring.
Figure 6. Flexible dry electronics for ECG monitoring.
Figure 7. Implantable electrodes for ECG monitoring.
Figure 8. Flexible ultrasound imagers for echocardiography.
Figure 9. Flexible mechanical sensors for direct epicardium monitoring.
总结与展望
柔性电子器件具有革新心血管医疗保健监测的潜力，可实现以病人为中心的创新诊断、监测和治疗方法。然而，该领域的许多功能和设备原型仍处于起步阶段，主要局限于实验室研究或仅在最佳条件下进行演示，而未考虑临床环境。与以往主要关注概念、材料、功能、设计或制造的众多柔性电子学综述不同，本综述旨在从实用临床应用的角度，引起相关领域研究人员的兴趣，激发他们的好奇心。为此，我们试图回答以下问题: 柔性电子设备能为心血管健康监护带来哪些优势？目前存在哪些限制？如何才能获得临床应用的合格柔性电子产品方面？本综述作为一种通俗易懂的综述，向其他领域，尤其是临床医学领域的研究人员和从业人员介绍柔性电子技术。另一方面，本综述向柔性电子学领域的专业，展示了临床需求的更多可能性和挑战。最后，我们确定了未来工作的几个重要分支，以此结束本次讨论。
首先，材料在柔性电子器件的设计、制造和性能方面起着至关重要的作用。材料的选择取决于多个因素，包括所需的机械和电气性能、设备功能和制造工艺。不断探索和开发新材料或改进现有材料，以提高柔性电子器件的灵活性、耐用性和性能，是我们必须走的道路。植入式柔性电子器件还应考虑生物兼容性。其次，需要更先进的机械设计来协调高机械性能(如拉伸性和保形性)与高电气性能 (如导电性和稳定性)之间始终存在的权衡问题。新近流行的柔性机械超材料，如折纸和拓扑机械超材料，值得关注和研究。第三，获取更精确的心血管信息至关重要。柔性电子器件需要更先进的设计来提高信息的强度。第四，大多数柔性电子设备只关注自身功能，仍然依赖于有线、外部和广泛的数据采集系统。未来应关注无线传输、小型化和集成化。第五，柔性电子设备有可能应用于其他心血管健康监测方法如计算机断层扫描和磁共振成像。此外，在心血管医疗保健中使用柔性电子设备所带来的电气风险(如短路和过热)、机械风险(如断裂或分层以及机械磨损)和生物风险(如生物相容性和感染风险)需要特别注意。能够承受机械应力、防止短路和促进组织整合的策略有待探索。在这些设备用于临床之前，应制定严格的测试程序和监管标准以确保其安全性和有效性。
除了柔性电子设备的自我完善，人工智能的快速发展在心血管医疗领域发挥着越来越重要的作用。先进的算法能够大大加快数据处理速度、缩短反应时间、减弱运动伪影、降低医生依赖性、增强临床决策、改善患者预后并推进心血管医疗。柔性电子设备几乎是实现人工智能(AI)辅助诊断的理想平台，可为机器学习算法和训练数据集提供海量数据。开发类似 GPT4的人工智能辅助医疗系统的前景确实令人兴奋。最后，柔性电子技术是一个高度跨学科的研究领域，具有内在的复杂性和多样性。这些设备的成功开发有赖于来自材料科学、化学.物理学、力学、算法和软件开发、硬件设计、临床医学等多个学科的研究人员和从业人员的通力合作。尽管如此，柔性电子设备在加强病人护理、定制病人诊断和治疗以及提高结果准确性方面的潜力使其成为一个积极探索和创新的领域。
文献链接
Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring
https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100485
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
