性化心血管監(jiān)測在心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)和管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，目前的無創(chuàng)監(jiān)測方法面臨著傳感器-皮膚界面不穩(wěn)定、生理和解剖差異以及難以平衡準(zhǔn)確性和舒適度等挑戰(zhàn)。

2025 年 9 月 25 日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院李舟、鄒洋共同通訊在Advanced Functional Materials上在線發(fā)表題為“A Biomimetic Epidermal Sensing Sucker via Stress Excitation for Personalized Cardiovascular Monitoring”的研究論文。受章魚吸盤力學(xué)的啟發(fā)，研究提出了一種仿生表皮傳感吸盤 （BESS），它將適形生理傳感與原位壓力調(diào)制相結(jié)合。


通過負(fù)壓吸附實(shí)現(xiàn)與動(dòng)脈部位的穩(wěn)定附著，同時(shí)通過自適應(yīng)壓力調(diào)制增強(qiáng)脈沖信號的幅度以實(shí)現(xiàn)最佳檢測，有效解決個(gè)體間差異。BESS借用中醫(yī)脈搏觸診，施加增量垂直壓力，在局部動(dòng)脈血管中誘導(dǎo)應(yīng)力激發(fā)，捕捉脈搏振蕩波，量化傳統(tǒng)脈搏診斷信息。利用BESS獲得的豐富脈搏特征，通過機(jī)器學(xué)習(xí)將經(jīng)典示波法與脈搏波特征分析相結(jié)合，開發(fā)了一種無袖帶血壓（BP）估計(jì)系統(tǒng)，在不阻塞動(dòng)脈血流的情況下實(shí)現(xiàn)高精度（收縮壓為1.36±3.81 mmHg，舒張壓為1.15±2.94 mmHg）。仿生學(xué)和智能傳感技術(shù)的跨學(xué)科整合為個(gè)性化心血管監(jiān)測提供了一條充滿希望的途徑，具有平衡的準(zhǔn)確性、舒適性和可解釋性。


目前，心血管疾?。–VD）是最常見的導(dǎo)致人類死亡原因。個(gè)性化的心血管健康監(jiān)測對于CVD的早期預(yù)警和長期管理至關(guān)重要。脈搏生理信號提供了對血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)洞察，可作為評估心臟泵送功能、循環(huán)狀態(tài)、雖然可穿戴技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)脈搏監(jiān)測，但是它們通常受到皮膚和傳感器之間的界面的穩(wěn)定性的限制，個(gè)體間動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)的變化，以及在正常條件下信號特征缺乏多樣性，使得滿足臨床需求具有挑戰(zhàn)性。


由于性別、年齡、身體脂肪等的差異，脈搏深度和強(qiáng)度在個(gè)體之間可能存在顯著差異。因此，為了實(shí)現(xiàn)跨個(gè)體的脈搏信號的有效檢測，將傳感器固定到身體表面的方式，與皮膚的適形接觸的緊密性。脈診是中醫(yī)學(xué)的基本技術(shù)，通過調(diào)整在脈搏觸診期間施加的壓力以感知脈搏信號的細(xì)微差異，可以用于確定個(gè)體的健康狀況。雖然這種方法方便有效，但它依賴于中醫(yī)從業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷。此外，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的脈診分析范式阻礙了中醫(yī)脈診經(jīng)驗(yàn)向循證醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化。血壓（BP）是心血管監(jiān)測的另一個(gè)重要指標(biāo)，有助于及時(shí)識(shí)別高血壓等危險(xiǎn)因素，這有助于預(yù)防嚴(yán)重并發(fā)癥。人體脈搏與BP有內(nèi)在聯(lián)系，脈搏波形的分析可以間接評估BP波動(dòng)，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨可解釋性和準(zhǔn)確性方面的挑戰(zhàn)?？傮w而言，一類方法集中于研究當(dāng)施加動(dòng)態(tài)壓力時(shí)的總體脈搏變化，而二類捕獲恒定狀態(tài)下個(gè)體脈搏波的詳細(xì)表征。結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)可能是突破現(xiàn)有BP檢測的準(zhǔn)確性、適用性和便利性的潛在解決方案，其在于在精確地感測脈搏變化的同時(shí)向動(dòng)脈部位施加受控壓力負(fù)荷的能力。


章魚吸盤具有獨(dú)特的漏斗和突起形態(tài)，可以通過精細(xì)的肌肉控制在各種表面上進(jìn)行共形吸附，加壓和自由分離，激發(fā)了一系列創(chuàng)新研究。靈感來自章魚吸盤的結(jié)構(gòu)力學(xué)和基于中醫(yī)脈診的基本原理，研究者研制了一種仿生表皮傳感吸盤（BESS），該裝置將適形生理傳感與原位壓力調(diào)節(jié)無縫集成，便于個(gè)體之間的自適應(yīng)心血管監(jiān)測。通過模仿章魚吸盤的負(fù)壓吸附和主動(dòng)加壓機(jī)制，BESS通過可控的原位壓力加載實(shí)現(xiàn)了在各種動(dòng)脈部位上的穩(wěn)定附著和適形感測。自適應(yīng)壓力調(diào)制能力顯著增強(qiáng)了脈搏信號幅度約三倍，解決脈搏檢測中的個(gè)體間差異，以優(yōu)化測量一致性。BESS借鑒中醫(yī)脈搏觸診，通過向表皮施加遞增的垂直壓力來捕獲動(dòng)脈振蕩波，進(jìn)一步分析連續(xù)加壓過程中脈搏信號的響應(yīng)特征，能夠定量表征傳統(tǒng)的脈搏診斷方法。

圖1 仿生自適應(yīng)脈搏壓力傳感器（BESS）及智能血壓測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（摘自Advanced Functional Materials）


利用這些進(jìn)步，研究還開發(fā)了一種新型的無袖帶BP估計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將經(jīng)典的脈搏波測量與脈搏波特征分析相結(jié)合。該系統(tǒng)通過采用原位局部應(yīng)力激勵(lì)策略，在不阻塞動(dòng)脈血流的情況下有效地捕獲脈搏振蕩波。使用機(jī)器學(xué)習(xí)建立了魯棒的BP相關(guān)模型，在保證可解釋性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高精度（收縮壓為1.36±3.81mmHg，舒張壓為1.15±2.94mmHg）。通過彌合脈搏動(dòng)力學(xué)和BP估計(jì)之間的差距，BESS為個(gè)性化心血管健康監(jiān)測提供了全面的解決方案。

參考消息：

https://doi.org/10.1002/adfm.202514598

來源：iNature