柔性自适应传感血压计，用于医疗级多参数血流动力学监测
2024-08-03 06:29:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
中国科学技术大学潘铤睿教授团队提出一种完全可穿戴的血流动力学监测系统，该系统集成了自适应柔性离电传感（FITS）阵列，被命名为柔性自适应传感血压计（FAST）。
准确评估血压及其它关键血流动力学参数对临床诊断、治疗评估、并发症预防以及降低心血管疾病风险至关重要。随着柔性电子技术的快速发展，新兴可穿戴设备在重塑未来血流动力学监测方面展现出巨大潜力。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学技术大学潘铤睿教授团队提出一种完全可穿戴的血流动力学监测系统，该系统集成了自适应柔性离电传感（FITS）阵列，被命名为柔性自适应传感血压计（FAST）。FAST系统通过结合高灵敏度FITS阵列和高效动脉扫描技术，提供了一种可长期佩戴的实时、医疗级血流动力学监测解决方案，有望实现以患者为中心的远程监测，兼具医疗级精度和便利性。相关研究成果以“Flexible adaptive sensing tonometry for medical-grade multi-parametric hemodynamic monitoring”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。
这项研究提出的FAST系统基于动脉张力测量原理，采用了由新兴FITS技术制成的高灵敏度触觉传感器阵列。得益于其结构柔性，FAST设备可以紧密贴合人体皮肤，适应手腕的曲线并自适应定位桡动脉，同时配备微型步进电机单元以实现所需的压平水平。FAST设备通过采用1 x 8单元的FITS阵列，将复杂的双轴搜索简化为单轴压平，以获取最佳脉搏波形。这种高效的传感设备可以制成体积仅为90 x 23 x 15 mm³的可穿戴手表形状。
图1 （a）传统的血压测量原理；（b）基于MEMS传感器阵列的血压测量原理：（c）基于双电机驱动结构的血压测量原理；（d）FAST系统的工作原理；（e）FAST系统的分解示意图；（f）FITS阵列和（g）FAST设备光学图像
通过实验表征，具有1 mm空间分辨率的FITS柔性传感器阵列可以准确定位桡动脉，误差小于0.5 mm。此外，FAST设备结构的灵活性使其可以与不同弯曲半径的手腕紧密贴合，从而减少了由界面不匹配引起的测量误差。重要的是，基于FITS原理的柔性传感器阵列具有1.19 nF mm Hg⁻¹cm⁻²的高灵敏度和11.5 ms的快速机械响应。同时，不同频率下的循环压缩测试表明，在10 Hz以下的频率下，信号保真度良好，可以准确、轻松地获取脉搏波形的特征。在高精度步进电机的驱动下，结合嵌入式自校准算法，柔性传感器阵列可以实时自校准到目标压平水平，从而实现多参数血流动力学测量。
图2 FITS阵列的原理和表征实验
在临床验证实验中，FAST设备在测量血压、心率和心输出量等关键血流动力学参数方面表现出高准确性和可靠性。特别是FAST设备与医疗级TL-400设备之间的比较分析显示，FAST设备在测量血压方面达到了AAMI标准（偏差和标准偏差均在5 ± 8 mm Hg范围内）。FAST设备的逐拍心率测量与标准心电图测量高度一致，相关系数高达0.98。此外，FAST设备能够持续跟踪心输出量的波动，计算结果的平均差和标准偏差均在可接受范围内，百分比误差低于临床阈值。
图3 桡动脉脉搏模拟器的表征及应用
图4 FAST设备在不同评估水平下的脉冲波信号表征和自校准性能
图5 FAST设备用于连续血流动力学监测的验证实验
研究团队称，这项研究的主要目标是将传统的血压计转变为可穿戴形式，同时保持其医疗级性能。因此，FAST系统的初期应用是在非医院场景进行的，并要求受试者保持手腕静止，以避免动作伪影对测量结果造成影响。为了从技术层面解决动作伪影问题，可以在微控制单元（MCU）中嵌入惯性测量单元（IMU），在手腕保持静止时只进行有效的血流动力学测量。未来还需要进行更深入的研究和临床验证，以充分探索FAST系统的潜力及其在改善患者预后和优化心血管干预方面的应用前景。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41528-024-00329-9
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