01 研究背景

人體血管的動態(tài)變化蘊含豐富生理健康信息。深層動脈脈搏是診斷動脈硬化等心血管疾病的基礎，而淺層皮膚毛細血管網絡的灌注狀態(tài)則與外周動脈疾?。≒AD）等病理狀況密切相關。通過可穿戴設備同時監(jiān)測深層和淺層血管網絡，可幫助醫(yī)療人員追蹤患者心血管疾病的病理變化，并為患者提供便捷的個人健康護理。近年穿戴式血管監(jiān)測技術快速發(fā)展，但現有監(jiān)測方法仍面臨挑戰(zhàn)：對于被動式傳感器，其感知模態(tài)較為單一，需要預壓力增強對脈搏波獲取的靈敏度，無法獲取自然狀態(tài)下的深/淺層血管特征信息；對于主動式傳感器，其設備結構復雜，易受界面?zhèn)斡芭c接觸狀態(tài)影響。因此，開發(fā)一種能夠原位、非侵入、抗界面干擾、無感、連續(xù)監(jiān)測多維血管動態(tài)特征的穿戴式設備具有重要科學意義和臨床價值。

為此，朱榮教授研究團隊提出一種基于主動熱滲透感知原理的柔性熱敏陣列傳感器，利用人體皮膚天然壓熱轉換效應結合非接觸式微氣腔結構，實現對多維血管動態(tài)特征的高靈敏、高魯棒捕捉。利用該可穿戴傳感器系統(tǒng)，團隊成功實現對深層脈搏與淺層毛細血管灌注信號的頻率分離提取，進一步實現高保真脈搏時空映射及血流等信息監(jiān)測。結合集成學習算法，團隊實現了基于多模態(tài)特征融合的無感連續(xù)血壓監(jiān)測。該成果不僅突破了傳統(tǒng)穿戴式心血動力測量在精準性、時空維度、界面?zhèn)斡吧系木窒?，還通過多維信息的融合大幅提升了心血管健康評估的準確性。

02 創(chuàng)新點 研制出一種多通道柔性熱敏陣列傳感器，通過人體皮膚壓熱效應和微氣腔設計實現傳感單元的非接觸式測量。傳感系統(tǒng)基于主動熱滲透感知原理，穿戴于人體腕部，實現對深層動脈脈搏、淺層毛細血管灌注、血流相對速度、皮膚溫度的無感、連續(xù)同步追蹤；通過多維信息的融合，實現精準的無感連續(xù)血壓監(jiān)測。

03 圖文導讀

圖1 柔性熱敏陣列傳感器進行深/淺層血管

多維監(jiān)測原理示意圖

研制的柔性熱敏陣列傳感器基于主動熱滲透感知原理。傳感器佩戴于人體腕部，利用傳感器背部的PDMS層阻隔外部環(huán)境影響，使傳感單元主要與皮膚組織進行熱交換。由于人體皮膚具有天然的壓熱轉換效應，深層動脈搏動引起的壓力變化和淺層毛細血管灌注引起的熱導率變化可被陣列中的熱膜單元靈敏捕捉。通過頻率分離，傳感器可同步解析出高頻的深層脈搏波形和低頻的淺層毛細血管灌注變化，并進一步通過對多陣列單元信號解算以獲取脈搏的脈寬、血流相對速度、皮膚溫度在內的多維生理信息。

圖2柔性熱陣列傳感器對深/淺層血管動力檢測原理和傳感特性測試結果

研究團隊對結合微氣腔結構的熱敏傳感器特性進行了系統(tǒng)性研究，傳感器具有高靈敏、快響應，發(fā)現通過優(yōu)化微氣腔結構設計可以增強傳感器的線性度與界面魯棒性，穿戴式傳感器在無感、無壓、非接觸條件下可以高保真地獲取脈搏波形。

基于惠斯通電橋電路和溫度補償算法，該傳感器壓力信號展現出優(yōu)異的低溫漂特性，減少了皮膚溫度波動對脈搏信號監(jiān)測的干擾。微型化設計的熱敏單元使傳感器在低功率下實現高靈敏并具有較低的單元間串擾，能夠清晰感知微弱血管搏動的空間分布。

圖3 利用柔性熱陣列傳感器實現血管搏動的時空監(jiān)測

研究團隊利用傳感器的高靈敏和陣列化特性，無需施加預壓力即可獲取到自然狀態(tài)下動脈血管的時空映射。通過陣列信號分析，傳感系統(tǒng)可提取自然脈搏波的強度、脈寬及血管位置信息。利用該傳感系統(tǒng)，實現了對心血管特征指標測量、以及溫度-血管搏動幅度同步監(jiān)測。進一步，利用穿戴系統(tǒng)可同步記錄中醫(yī)脈診中的寸關尺三部的脈搏波形，為傳統(tǒng)醫(yī)學診斷提供量化工具。

圖4 利用柔性熱陣列傳感器監(jiān)測淺層毛細血管灌注和

血流相對速度

除深層脈搏搏動監(jiān)測外，柔性熱陣列傳感器還可靈敏捕捉淺層毛細血管的灌注變化。在皮膚觸摸實驗中，傳感器陣列成功識別了手指在皮膚表面書寫數字時引起的淺表灌注再分布。在袖帶阻斷反應性充血實驗中，傳感器同步監(jiān)測深層血管血流速度與淺層皮膚溫度的動態(tài)變化，監(jiān)測結果與激光多普勒血流儀（LDF）高度同步，驗證了其在評估血管內皮功能方面的應用潛力。

圖5柔性熱陣列傳感器用于心血管評估的特征提取與

多模態(tài)融合實現連續(xù)血壓監(jiān)測

為實現更全面的心血管健康評估，研究團隊開發(fā)了基于XGBoost集成學習算法的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)從傳感器陣列信號中提取包括脈搏波形特征、深層血管空間特征和淺層灌注特征在內的三類特征，相比于僅依賴脈搏波形特征的單一模態(tài)方法，融合多模態(tài)血管信息可以有效提高連續(xù)血壓估計的準確性。

研究團隊研制了基于新型主動熱滲透感知的柔性熱敏陣列傳感器，提出了對深/淺層血管動力進行無感、多維、原位監(jiān)測的熱感應方法。研究利用人體皮膚天然的壓熱轉換效應結合微氣腔結構，使穿戴設備具有較好的抗界面干擾能力，能夠獲取高保真血管動力信息，為解決現有血管監(jiān)測模態(tài)單一、魯棒性差等問題提供了新技術方案。研究團隊進一步提出基于多模態(tài)特征融合的心血管解析算法，相較于傳統(tǒng)算法依賴單一脈搏波特征，提升了連續(xù)血壓監(jiān)測的準確性，為實現全周期的個人健康管理與臨床精準醫(yī)療提供新科學方法和技術基座。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5803

審核編輯 黃宇