技術(shù)文章
Technical articles動脈硬化是一種常見的、危害性極大的慢性心血管疾病,是引起中風(fēng)與心肌梗塞的重要因素。在臨床上,通??梢酝ㄟ^對脈搏波傳導(dǎo)速度(PWV)的測試來對動脈硬化進(jìn)行評估與診斷。這種方式一般需要在動脈的兩個不同位置進(jìn)行脈搏檢測,通過計(jì)算兩個位置脈搏的路程差與時(shí)間差得到PWV。然而,這種檢測方法依賴于昂貴且體積龐大的檢測設(shè)備,難以適用于動脈硬化的日常監(jiān)測。此外,目前基于光電容積法的脈搏檢測方法易于受到運(yùn)動與自然光的干擾。因此,開發(fā)一種非侵入式的,并對動脈硬化進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測的可穿戴設(shè)備,可以為心血管疾病的預(yù)防與治療提供一種有效的解決方案。
近日,南方科技大學(xué)的郭傳飛課題組與南方科技大學(xué)醫(yī)院、深圳技術(shù)大學(xué)等單位合作,研發(fā)了一種基于指尖單點(diǎn)脈搏檢測的動脈硬化診斷系統(tǒng)。研究者用高精度的3D打印技術(shù)制造了一種可線性響應(yīng)的離子凝膠微結(jié)構(gòu),并將其用于離電型壓力傳感器。該微結(jié)構(gòu),采用摩方精密2μm精度的nanoArch S130 打印的模具經(jīng)PDMS翻模澆注離子凝膠制備而成,模具中的凹槽長度大約150μm,類花生殼柱體高度約100μm左右,最大直徑60μm左右。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳感器0~150 kPa范圍內(nèi)的線性壓力-電容響應(yīng),因此避免了不同預(yù)壓力下器件傳感性能的差異,保證了脈搏檢測的穩(wěn)定性與可靠性。此外,該傳感器也有著較高的靈敏度(1.2 kPa-1)與壓力分辨率(<1Pa),滿足指尖處微弱的脈搏檢測需求。相比于腕部脈搏測試,指尖脈搏測試中指腹處皮膚無自主運(yùn)動,有效抑制了運(yùn)動偽影,在測試者正?;顒酉聦?shí)現(xiàn)了長達(dá)5小時(shí)的連續(xù)穩(wěn)定脈搏監(jiān)測。這種指尖脈搏波可以通過Hiroshi法計(jì)算出心臟-指尖脈搏波傳導(dǎo)速度(hfPWV)。
研究者通過線性擬合,發(fā)現(xiàn)hfPWV與臨床應(yīng)用的臂踝脈搏波速度有著很強(qiáng)的相關(guān)性(r=0.857),因此可以進(jìn)一步結(jié)合年齡實(shí)現(xiàn)對測試者動脈硬化狀況的評估與診斷?;?/span>hfPWV的動脈硬化診斷模型,在對不同程度心血管疾病就診患者的檢測中達(dá)到了近90%的準(zhǔn)確率,體現(xiàn)了這一方法優(yōu)異的可靠性與普適性,從而為動脈硬化的連續(xù)監(jiān)測與評估提供了一種低成本的策略。
相關(guān)成果以“Arteriosclerosis Assessment Based on Single-Point Fingertip Pulse Monitoring Using a Wearable Iontronic Sensor"為題發(fā)表于國際期刊《Advanced Healthcare Materials》上,也得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1. 單點(diǎn)法脈搏波傳導(dǎo)速度測試的機(jī)理。(a)hfPWV測試機(jī)理示意圖。(b)典型的指尖脈搏波與相應(yīng)的加速脈搏波。(c)傳統(tǒng)兩點(diǎn)法baPWV測試的機(jī)理。
圖2. 高性能離電傳感器的工作原理與性能。(a)具有線性響應(yīng)的微結(jié)構(gòu)、凸起-平面結(jié)構(gòu)、半球結(jié)構(gòu)在壓力下的變形行為與應(yīng)力分布的力學(xué)模擬。(b)三種結(jié)構(gòu)在壓力下接觸面積變化的力學(xué)模擬。(c)具有線性響應(yīng)的微結(jié)構(gòu)的表面形貌圖。(d)離電傳感器電容隨壓力的變化。(e)不同預(yù)壓力下傳感器對小壓力的分辨率。(f)響應(yīng)時(shí)間。(g)傳感器在20 kPa壓力下10000次循環(huán)測試性能。
圖3. 離電傳感器對指尖脈搏的檢測性能。(a)手腕關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中橈動脈脈搏的記錄。(b)手指彎曲過程中指尖脈搏的記錄。(c)自然狀態(tài)下傳感器對測試者1個小時(shí)的脈搏記錄。(d)一位25歲男性測試者在不同預(yù)壓力下脈搏主波(沖擊波)的強(qiáng)度。(e)傳感器對不同年齡健康測試者典型脈搏的記錄。(f)測試者潮波高度隨年齡的變化。
圖4. 通過指尖脈搏波測試實(shí)現(xiàn)hfPWV的獲取。(a)hfPWV隨年齡的變化趨勢。(b)hfPWV與心臟-指尖脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(hfPTT)在運(yùn)動前后發(fā)生的變化。(c)對一位25歲測試者進(jìn)行5小時(shí)連續(xù)脈搏監(jiān)測過程中hfPWV與hfPTT的變化趨勢。(d)3位年齡近似(50歲左右),動脈硬化狀況不同(從左到右逐漸嚴(yán)重)的測試者的脈搏波與加速脈搏波(APW)。(e)通過計(jì)算得到的(d)圖中3位測試者的hfPWV。
圖5. hfPWV在動脈硬化評估診斷中的應(yīng)用。(a)動脈硬化的4種不同程度,從i到iv逐漸嚴(yán)重。(b)通過baPWV與年齡劃分的41位測試者的動脈硬化程度。(c)hfPWV與baPWV的線性擬合。將hfPWV線性轉(zhuǎn)換為baPWV’后,對41位測試者baPWV與baPWV’的一致性評價(jià)。(e)41位測試者baPWV與hfPWV的偏差。(f)從基于baPWV對動脈硬化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)到基于hfPWV的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換流程。(g)基于hfPWV標(biāo)準(zhǔn)的41位測試者的動脈硬化程度。(h)采用hfPWV標(biāo)準(zhǔn)后對9位新測試者的動脈硬化程度的評判。(i)采用baPWV與hfPWV標(biāo)準(zhǔn)下對9位新測試者動脈硬化程度評估的比較。