具有連續(xù)監(jiān)測功能的多功能個人醫(yī)療保健，已成為推進(jìn)下一代精準(zhǔn)醫(yī)療的關(guān)鍵。目前，通過從淺表皮膚收集各種物理或化學(xué)信息，一類新興的柔性傳感器展示了它們對體溫、表面電生理信號、汗液、唾液等體征進(jìn)行原位分析的能力。

但是，對深埋血管具有臨床意義的生理特征進(jìn)行無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測仍然存在挑戰(zhàn)。血液攜帶著豐富的臨床信息，但由于皮膚屏障，很難以無創(chuàng)方式獲取這些信息。直接測量多種物理和化學(xué)血液動力學(xué)特性，對心血管疾病的早期檢測或治療具有重要意義。

例如，連續(xù)血氧飽和度評估，尤其是對患者、老年人和嬰兒的連續(xù)血氧飽和度評估，可以反映患者的氧氣供應(yīng)能力；血液化學(xué)成分的跟蹤，例如血液中的外源性藥物濃度，可以提供有意義的藥代動力學(xué)信息；此外，血流動力學(xué)分析可以用于心血管疾病的診斷。

目前，血液理化信息的無創(chuàng)監(jiān)測通常采用光學(xué)或聲學(xué)傳感器來實現(xiàn)。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，接收血液反射光的光學(xué)傳感器可以被制成柔性薄膜形式，從而緊密粘附在皮膚表面。

由此，可以通過光學(xué)技術(shù)監(jiān)測心血管相關(guān)參數(shù)，包括血氧飽和度、葡萄糖水平、血壓以及血流等。然而，由于光子在人體組織內(nèi)部的快速擴(kuò)散和散射，光學(xué)傳感器只能統(tǒng)計性地讀出光輻射區(qū)域的粗略生理信息，無法解析深層組織中的特定血管。

類似地，用于皮膚生理學(xué)研究的基于熱傳輸特性的血流檢測，也僅能進(jìn)入淺表脈管系統(tǒng)。除了光學(xué)傳感器之外，檢測從血管傳輸?shù)某暡}沖的柔性振動傳感器也可以評估心血管相關(guān)的血液動力學(xué)信息，這類傳感器已經(jīng)被小型化并能夠貼合皮膚；利用這類振動傳感器可以實現(xiàn)單血管分辨率的深埋血管測量。

然而，采用超聲波技術(shù)的振動測量，僅對血液的機(jī)械特性敏感，無法感知血液中生理生物標(biāo)志物的變化。電化學(xué)等其他無創(chuàng)方法，可以從汗液、眼淚和唾液等體液間接推斷血液生理參數(shù)。

但是，外部體液的成分僅與血液部分相關(guān)，也無法立即反映原位血液狀態(tài)和血管形態(tài)。簡言之，目前的血液傳感器無法定位皮膚下的血管，從而提供有關(guān)分布式血液特性的直接信息。除此之外，現(xiàn)有方案只能提供單一的生理體征測量，限制了它們對心血管健康狀況進(jìn)行全面、多維度的評估。

光聲成像是一種混合成像模式，結(jié)合了聲學(xué)的深度穿透和光學(xué)的豐富光譜對比度的優(yōu)勢，可以感知深層組織中的各種血液參數(shù)，不過，該方案仍然需要龐大且剛性的傳感器探頭和測試前端。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，新加坡南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員提出了一種柔性光聲血液“聽診器”（OBS），具有無創(chuàng)連續(xù)3D多參數(shù)心血管監(jiān)測功能。得益于其貼合皮膚及連續(xù)工作的特性，這種光聲血液“聽診器”能夠?qū)ι顚友汉脱苓M(jìn)行動態(tài)、功能分析，不像傳統(tǒng)光聲系統(tǒng)僅能夠提供結(jié)構(gòu)圖像和顯示。該研究成果已經(jīng)以“A flexible optoacoustic blood ‘stethoscope’ for noninvasive multiparametric cardiovascular monitoring”為題，發(fā)表于Nature Communications期刊。

該研究所提出光聲血液“聽診器”的結(jié)構(gòu)示意圖，包含光學(xué)（微透鏡）和聲學(xué)（壓電層）元件，以及與連接層、絕緣層、電極和封裝層的多層集成

這種光聲血液“聽診器”可以檢測多種生理生命體征，例如缺氧、外源性藥物衰減、血管順應(yīng)性、內(nèi)皮功能障礙，通過量身定制的算法重建3D血管模型，還可以從各個方面提供對心血管功能的深刻洞察。該“聽診器”基于光聲效應(yīng)：它將光輸送到血液中，觸發(fā)血液發(fā)色團(tuán)的機(jī)械振動，然后以聲波的形式接收血液信號。

這種光聲血液“聽診器”包括用于光傳輸?shù)念A(yù)鉆孔的微透鏡陣列，以及作為聲學(xué)接收器的交替壓電傳感器陣列。該器件之所以被稱為血液“聽診器”，是因為它與傳統(tǒng)聽診器類似，也是通過“傾聽”聲波來表征血液特性。其信息采集過程及輸出類似于傳統(tǒng)的聽診器，同時它也具有捕捉上述生命體征成像數(shù)據(jù)的獨特能力。

這種柔性光聲血液“聽診器”旨在提高患者在測量過程中的舒適度，這是相對現(xiàn)有光聲系統(tǒng)的巨大進(jìn)步。體內(nèi)動物實驗和人體試驗表明，該“聽診器”可以無創(chuàng)定位血管，并連續(xù)監(jiān)測與多種心血管疾病直接相關(guān)的豐富血液特征，例如血液動力學(xué)、缺氧和血管內(nèi)外源性藥物代謝等。

光聲血液“聽診器”中光學(xué)和聲學(xué)元件的設(shè)計及表征

3D成像算法

靜脈血管閉塞試驗

研究人員通過實驗表明，這種柔性光聲血液“聽診器”可以貼合皮膚，對多種心血管生物標(biāo)志物進(jìn)行無創(chuàng)的連續(xù)原位監(jiān)測，包括缺氧、血管內(nèi)外源性藥物濃度衰減和血液動力學(xué)等，這些都可以通過定制的3D算法進(jìn)一步可視化。體內(nèi)動物試驗和人體受試者的演示，突出了這種“聽診器”在心血管疾病診斷和預(yù)測方面的應(yīng)用潛力。

未來的研究將通過集成更密集的聲學(xué)和光學(xué)元件、結(jié)合LED光源、更緊湊的采集電路以及基于可編程片上系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)來進(jìn)一步改進(jìn)，從而對動物和人類進(jìn)行更廣泛的分布式、移動和實時監(jiān)測。此外，進(jìn)一步的臨床驗證有望擴(kuò)大光聲血液“聽診器”的應(yīng)用范圍，加速移動醫(yī)療的發(fā)展，推進(jìn)當(dāng)前最先進(jìn)的臨床實踐，以預(yù)防并研究心血管相關(guān)疾病。

審核編輯：劉清