用于无线持续监测动脉血压的超薄、柔软、可穿戴系统

研究背景

心血管疾病(CVDs)是导致全球死亡的主要原因之一，估计每年有 1800 万人因此丧生，血压(BP)作为一种重要的生物标志物，能让人深入了解许多血液动力学参数，如与心血管疾病密切相关的每搏容量、心率和心输出量。常规监测血压可有效降低睡眠呼吸暂停中风和冠心病等心血管相关疾病的发病风险，因为高血压是心血管相关疾病发病过程中的重要风险指标。目前，临床主要依靠袖带血压计测量静态血压，仅记录孤立的随意收缩压(SBP)和舒张压(DBP)，并根据SBP和DBP计算平均血压(MAP)。由于袖带充气的工作机制，目前的袖带式血压计很难实现连续动态测量血压。相比之下，连续血压监测不仅为长期或诊断前高血压患者提供了一种有效的监测方法，还能更好地预测高血压患者与心血管疾病相关的发作。

在临床上，连续测量血压的标准是在动脉中心植入侵入性的纤维压力传感器，这会增加患者的痛苦和感染风险，而且侵入性太大，不适合常规检查和日常监测。近年来，可穿戴电子设备的快速发展使得利用可穿戴设备连续监测某些生理指标成为可能。因此利用可穿戴设备进行连续无创血压监测已引起研究人员的极大关注。为此，人们开发了多种无创方法，包括基于光学的方法(PPG)、声学方法 (超声壁追踪)、生物阻抗法和基于压力传感器的眼压测量法。其中，PPG 是最常用的方法之一，但也存在来自静脉动脉的信号混叠和穿透深度不足 (通常小于 8 毫米)的问题。此外，复杂的数据处理系统和严格的光学信息处理设置也进一步限制了PPG系统发展成为真正的可穿戴设备，用于连续和长期血压监测。超声壁追踪和生物阻抗因其穿透深度高、对血液动力学参数的传感能力强，已被视为连续血压监测的理想选择。然而，要实现可穿戴便携式血压连续监测，不仅需要设计成可穿戴的设备，还对血压校准的信号采样和后处理提出了很高的要求。虽然已开发出用于连续血压测量的可穿戴超声传感器和电极，但高精度的采样设备和笨重的接口阻碍了它们在连续非卧床血压监测中的进一步应用。由于结构简单、对信号处理要求不高，血压测量也考虑使用压力传感器来检测血液传播产生的动脉变形。而高灵敏度压力传感器，包括压阻式和电容式，都面临界面不稳定的问题，因此需要反复校准才能进行血压评估。

研究成果

在临床环境之外持续监测动脉血压(BP)对于预防和诊断高血压相关疾病至关重要。然而目前的连续血压监测仪器要么系统笨重，要么用户-设备界面性能不佳，阻碍了它们在连续血压监测中的应用。在此，香港城市大学于欣格教授报告了一种轻薄、柔软的微型系统(TSMS)，该系统结合了保形压电传感器阵列、主动压力适应单元、信号处理模块和先进的机器学习方法，实现了真正的可穿戴、连续无线监测非卧床动脉血压。通过优化材料选择、控制/采样策略和系统集成，TSMS 在保持 A 级测量精度的同时，还提高了界面性能。对 87 名志愿者的初步试验和对两名高血压患者的临床跟踪证明，TSMS 是一款可靠的血压测量产品，在精确控制血压和个性化诊断方案开发方面具有可行性和实用性。相关研究以“Thin, soft, wearable system for continuous wireless monitoring of artery blood pressure”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Working principle and layouts of the wearable wireless continuous blood pressure monitoring system.

Fig. 2 | Device characterization and signal analysis.

Fig. 3 | Performance evaluation of the data model for continuous BP estimation.

Fig. 4 | Performance evaluation of the wireless wristband for continuous BP monitoring.

总结与展望

通过将传感器阵列、主动压力适应系统以及信号采样和处理模块集成到纤薄柔软的腕带中，作者展示了一种强大的通用策略，可对连续血压模式进行实时、可靠的监测。TSMS 实现了出色的测量稳定性和准确性，DBP为0.11±3.68 mmHg，SBP为-0.05±4.61 mmHg。所有这些功能都主要依赖于与之前报道的工作相比的三大进步：(1)灵活、自供电的压电传感器阵列，可根据血液传播产生可靠的压电响应；(2)与背压调节和多泵控制策略相关联的主动压力适应系统，以确保传感器阵列与皮肤之间的良好接触；(3)基于机器学习的数据模型，采用无线通信策略进行局部脉搏波速度传输和连续血压估计。在总共87名志愿者身上进行的台式研究、结构设计、理论模拟和初步试验证明了TSMS 在连续血压监测中的可行性和实用性。此外，对高血压患者和边缘高血压患者的动态血压跟踪显示了一天和一周内的血压变化。作者设想，通过连续血压监测和制定个性化诊断和治疗方案，TSMS 可在实现高血压患者血压精确控制和心血管疾病预防方面发挥重要作用。要实现对连续血压模式的长期精确监测，需要对数据模型进行全面的预训练，并平衡血压范围和其他导致血压波动的因素的分布。而本研究只关注了规模有限的人类参与者的实际场景。我们相信，进一步扩大人类参与者的数量和改善血压分布将提高血压估计的准确性。

文献链接

Thin， soft， wearable system for continuous wireless monitoring of artery blood pressure

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40763-3

转自：“i学术i科研”微信公众号

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