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柔性超声波贴片：可实时监测体内深处的动脉血压

消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间：2024-05-20

报价宝综合消息柔性超声波贴片：可实时监测体内深处的动脉血压

导读

近日，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发出一种新型超声波贴片，它能以非侵入性的方式，监测皮肤深处的动脉血压，从而帮助人们早期检测心血管问题，而且精度更高。在测试中，贴片的表现堪比一些测量血压的临床方法。

背景

如今，作为新兴的前沿技术之一，具有生理指标监测功能的柔性可穿戴设备受到了广泛关注。此类可穿戴设备非常适合应用于人体软组织，例如皮肤，实时监测各种人体生理健康数据。笔者曾经介绍过许多这方面的科研案例，例如：

1）美国加州大学伯克利分校开发的一款通过汗液监测人体健康状况的手环。

（图片来源：加州大学伯克利分校）

2）美国罗格斯大学新布朗斯维克校区的工程师们创造出一种新型智能手环，他可以通过血细胞计数来帮助判断癌症和白血病等疾病。

（图片来源：Abbas Furniturewalla）

3）美国生物医学影像学与生物工程学研究所的工程师开发了一种微型可穿戴的电子纹身。它可以检测汗液中的酒精含量，有助于减少不安全饮酒导致的交通事故、暴力、以及酗酒者的健康问题。

（图片来源：美国化学学会）

4）韩国首尔基础科学研究院科学家开发出的柔性石墨烯腕带，它能够监测并治疗糖尿病。

（图片来源：Hui Won Yun / 首尔大学）

5）韩国大邱庆北科学技术院与美国西北大学的国际研究团队开发开发出一种新型电子皮肤，可监测心率、呼吸、肌肉运动和其他健康数据，并可将数据无线发送至智能手机。

（图片来源：大邱庆北科学技术院）

创新

与上述柔性可穿戴设备类似，笔者今天要再为大家介绍一款新设备。

近日，美国加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的研究人员开发出一种新型超声波贴片，它能以非侵入性的方式监测皮肤深处的动脉血压，从而帮助人们早期检测心血管问题，而且精度更高。在测试中，贴片的表现堪比一些测量血压的临床方法。

（图片来源：Chonghe Wang/Nature Biomedical Engineering）

相关研究成果于9月11日发表在《自然生物医学工程（Nature Biomedical Engineering）》期刊上。

技术

贴片采用超声波，有望通过非侵入性的方式追踪其他来自身体内部深处的生命体征和生理信号。

加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院纳米工程系教授、论文通信作者 Sheng Xu 表示：“目前，可穿戴设备被限制在用于感知皮肤表面或者其下方不远处的信号。但是，这就像只看到了冰山一角。我们通过将超声波技术集成到可穿戴设备中，开始能以一种非侵入性的方式，捕捉许多其他信号以及皮肤表面下方正在发生的生物事件与活动。”

加州大学圣地亚哥分校可穿戴感测器中心的成员 Xu 表示：“我们正在为可穿戴电子设备的感知范围添加第三个维度。”

这种新型超声波贴片可持续监测皮肤下方深达四厘米（超过一英寸）处的主要动脉中的中心动脉压。

这种设备可测量出中心动脉压，它与上臂上绑着的充气臂带测量到的血压（这称为“外周血压”）不一样。中心动脉压是中心动脉血管中的血压，中心动脉血管直接将血液从心脏输送至全身其他主要器官。医疗专家认为中心动脉血压比外周血压更加精准，并认为它更加有利于预测心脏疾病。

然而，常规的检测方法无法测量中心动脉压，因此需要采用最先进的临床方法，但它却是侵入性的。这些方法包括将导管插入患者手臂、腹股沟或颈部的动脉中，并引导它通往心脏。

虽然存在着非侵入性的方法，但是非侵入性的方法却无法持续地生成精准的读数。这种方法包括将一种像铅笔一样的探针，也称为血压计（tonometer），直接放在位于主要血管上方的皮肤上。为了获得良好的读数，血压计必须被平稳地握住，施加正确的角度与正确的压力量。但是，它会因具体测试与医师的不同而存在差异。

论文第一作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程系研究生 Chonghe Wang 表示：“这种测试高度依赖于操作人员。即使拥有恰当的技术，如果你移动血压计的探针误差达一毫米，数据就会变得不准。如果你将血压计向下按得太狠，将会给血管施加太多的压力，这也会影响数据。” 血压计也要求患者坐着不动，这使得持续监测变得困难，而且也无法做到足够灵敏，以至于可以通过脂肪组织获取良好的读数。

加州大学圣地亚哥分校领导的团队开发出一种便捷的替代方案：一种柔性、可拉伸的超声波贴片。它可以佩戴在皮肤上，每次都能提供精准的中心动脉血管血压读数，即使用户在移动中。

贴片的测试在一个男性受试者身上开展，他将贴片穿戴在前臂、手腕、脖子和脚上。受试者处于静止和运动时，分别展开测试。贴片采集的读数比商用血压计的读数更加一致且精准。贴片的读数也可以媲美传统的超声波探针采集的读数。

（图片来源：Chonghe Wang/Nature Biomedical Engineering）

Wang 表示：“这项研究的主要进展就是将超声波技术转移到可穿戴平台中。这相当重要，因为现在我们能对皮肤下方的主要血管展开持续、非侵入性的检测，而不仅仅是浅表组织。”

这种贴片是一种硅酮弹性体薄片，上面具有“岛-桥（island-bridge）”结构的图案。小型电子部件（岛）通过弹簧状的线（桥）相互连接。每个岛含有电极和称为“压电换能器”的设备，电流通过它时可以产生出超声波。连接它们的桥由弹簧状的细铜线组成。这种岛-桥结构使得整个贴片可以适应皮肤，而且拉伸、弯曲和扭曲不会损伤电子功能。

（图片来源：参考资料【2】）

贴片采用超声波持续地记录位于皮肤下方四厘米深处的动脉血管的直径。然后，这个信息通过定制软件转化成波形。波形中的每个波峰、波谷和台阶以及整个波形形状，代表了心脏中特定的活动或事件。这些信号为医生评估患者的心血管健康提供了许多详细信息。这些信息可用于预测心力衰竭，判断血液供应是否良好等等。

价值

这种贴片的应用包括实时、持续地监测心脏或肺部疾病以及危重症或外科手术的病人的血压变化。参与这项研究的医生们表示，这项技术可以用于各种住院治疗。

论文合著者之一、加州大学圣地亚哥分校医院放射科医师 Brady Huang 博士表示：“它有望成为心血管内科的一个极大的补充。在手术室中，特别是在复杂的心肺手术中，需要实时、精准地评估中心动脉压，这就是这种设备替代传统方法的潜力所在之处。”

未来

研究人员们表示，贴片在临床使用之前，仍然还有很长的路要走。相关的改进包括将电源、数据处理单元和无线通信功能集成到贴片中。

Xu 表示：“现在，这些功能必须通过外部设备的接线来提供。如果我们要将它从实验室推向临床，就需要在板子上装备所有这些组件。”

为了项目的下一个阶段，团队正在寻求与数据处理和无线技术专家进行合作。

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