面向无创、连续多参数心血管监测的柔性光声血液“听诊器”
2023-08-12 09:59:52   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

具有连续监测功能的多功能个人医疗保健，已成为推进下一代精准医疗的关键。目前，通过从浅表皮肤收集各种物理或化学信息，一类新兴的柔性传感器展示了它们对体温、表面电生理信号、汗液、唾液等体征进行原位分析的能力。

但是，对深埋血管具有临床意义的生理特征进行无创、连续监测仍然存在挑战。血液携带着丰富的临床信息，但由于皮肤屏障，很难以无创方式获取这些信息。直接测量多种物理和化学血液动力学特性，对心血管疾病的早期检测或治疗具有重要意义。

例如，连续血氧饱和度评估，尤其是对患者、老年人和婴儿的连续血氧饱和度评估，可以反映患者的氧气供应能力；血液化学成分的跟踪，例如血液中的外源性药物浓度，可以提供有意义的药代动力学信息；此外，血流动力学分析可以用于心血管疾病的诊断。

目前，血液理化信息的无创监测通常采用光学或声学传感器来实现。随着光电子技术的发展，接收血液反射光的光学传感器可以被制成柔性薄膜形式，从而紧密粘附在皮肤表面。

由此，可以通过光学技术监测心血管相关参数，包括血氧饱和度、葡萄糖水平、血压以及血流等。然而，由于光子在人体组织内部的快速扩散和散射，光学传感器只能统计性地读出光辐射区域的粗略生理信息，无法解析深层组织中的特定血管。

类似地，用于皮肤生理学研究的基于热传输特性的血流检测，也仅能进入浅表脉管系统。除了光学传感器之外，检测从血管传输的超声波脉冲的柔性振动传感器也可以评估心血管相关的血液动力学信息，这类传感器已经被小型化并能够贴合皮肤；利用这类振动传感器可以实现单血管分辨率的深埋血管测量。

然而，采用超声波技术的振动测量，仅对血液的机械特性敏感，无法感知血液中生理生物标志物的变化。电化学等其他无创方法，可以从汗液、眼泪和唾液等体液间接推断血液生理参数。

但是，外部体液的成分仅与血液部分相关，也无法立即反映原位血液状态和血管形态。简言之，目前的血液传感器无法定位皮肤下的血管，从而提供有关分布式血液特性的直接信息。除此之外，现有方案只能提供单一的生理体征测量，限制了它们对心血管健康状况进行全面、多维度的评估。

光声成像是一种混合成像模式，结合了声学的深度穿透和光学的丰富光谱对比度的优势，可以感知深层组织中的各种血液参数，不过，该方案仍然需要庞大且刚性的传感器探头和测试前端。

据麦姆斯咨询报道，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的研究人员提出了一种柔性光声血液“听诊器”（OBS），具有无创连续3D多参数心血管监测功能。得益于其贴合皮肤及连续工作的特性，这种光声血液“听诊器”能够对深层血液和血管进行动态、功能分析，不像传统光声系统仅能够提供结构图像和显示。该研究成果已经以“A flexible optoacoustic blood ‘stethoscope’ for noninvasive multiparametric cardiovascular monitoring”为题，发表于Nature Communications期刊。

该研究所提出光声血液“听诊器”的结构示意图，包含光学（微透镜）和声学（压电层）元件，以及与连接层、绝缘层、电极和封装层的多层集成

这种光声血液“听诊器”可以检测多种生理生命体征，例如缺氧、外源性药物衰减、血管顺应性、内皮功能障碍，通过量身定制的算法重建3D血管模型，还可以从各个方面提供对心血管功能的深刻洞察。该“听诊器”基于光声效应：它将光输送到血液中，触发血液发色团的机械振动，然后以声波的形式接收血液信号。

这种光声血液“听诊器”包括用于光传输的预钻孔的微透镜阵列，以及作为声学接收器的交替压电传感器阵列。该器件之所以被称为血液“听诊器”，是因为它与传统听诊器类似，也是通过“倾听”声波来表征血液特性。其信息采集过程及输出类似于传统的听诊器，同时它也具有捕捉上述生命体征成像数据的独特能力。

这种柔性光声血液“听诊器”旨在提高患者在测量过程中的舒适度，这是相对现有光声系统的巨大进步。体内动物实验和人体试验表明，该“听诊器”可以无创定位血管，并连续监测与多种心血管疾病直接相关的丰富血液特征，例如血液动力学、缺氧和血管内外源性药物代谢等。

光声血液“听诊器”中光学和声学元件的设计及表征

3D成像算法

静脉血管闭塞试验

研究人员通过实验表明，这种柔性光声血液“听诊器”可以贴合皮肤，对多种心血管生物标志物进行无创的连续原位监测，包括缺氧、血管内外源性药物浓度衰减和血液动力学等，这些都可以通过定制的3D算法进一步可视化。体内动物试验和人体受试者的演示，突出了这种“听诊器”在心血管疾病诊断和预测方面的应用潜力。

未来的研究将通过集成更密集的声学和光学元件、结合LED光源、更紧凑的采集电路以及基于可编程片上系统的无线传输系统来进一步改进，从而对动物和人类进行更广泛的分布式、移动和实时监测。此外，进一步的临床验证有望扩大光声血液“听诊器”的应用范围，加速移动医疗的发展，推进当前最先进的临床实践，以预防并研究心血管相关疾病。

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