研究背景

脉搏是人类生理信号的重要组成部分，涉及丰富的人类健康信息，可以揭示个人状况，包括心脏问题( 如心律失常)、血压、血管老化、运动、药物治疗和睡眠状态。尽管身体症状在早期阶段往往难以观察到，但可以通过细微的脉搏波变化进行诊断。通过考虑参与者的年龄、性别、体重和日常饮食，区分脉搏波形的差异，可以采取预防心血管疾病的行动。传统中医提出了从脉搏波分析人的身体状态的经验方法，但中医无法连续监测脉搏波，限制了评估结果的准确性。因此，经验性的诊断方法可能深刻地依赖于医生的经验、参与者的情绪和外部环境，导致实施扭曲的或有问题的治疗。此外，从业者之间的诊断结果往往是多种多样的，使得这种方法的权威性降低。因此，对于人体脉搏波的测量，非常需要一种更加定量和客观的方法。光密度计(PPG)是目前临床上使用最广泛的脉搏测量方法，它可以实时反映心血管状况，为临床监测病人的心血管功能提供依据。同时，PPG测量无创、便携、操作简单，在监测血压、心脏稀有、节律、容积和诊断血管疾病方面有很大价值。大多数现代脉搏传感器，如运动手环，都使用PPG, 它显示脉搏测量，通过动脉测量血管对光的吸收变化。尽管PPG作为一种发光二极管技术很方便，但它容易受到光强度变化、皮肤颜色、汗液和与动脉的距离的影响。动脉血管深藏在表皮之下，导致脉搏压力信号在穿过皮肤组织层后逐渐消失。此外，PPG需要一个外部电源，这使得测量系统很笨重，难以穿戴起来进行连续监测。为了应对这些限制，可穿戴的压力传感器是一种迅速扩展的技术，它能以生物兼容和可靠的方式提供精确、实时的脉冲波形采集。在过去的几年里，关于柔性生物医学传感器的各种新概念在现代电子学中引起了越来越多的关注。将脉搏压力、呼吸、声带振动和肢体运动等人体运动转换为电信号，可以产生自供电、稳定、连续和准确的物理指标，可用于个性化的医疗保健。值得注意的是，由于压敏传感器具有良好的可穿戴性和稳定性以及最佳的设计特点，包括化学稳定性、简单的结构设计、重量轻、成本效益高、便于携带和适合长期佩戴，因此采用压敏传感器已经实现了连续和无创的生命信号监测装置。因此，微观工程的发展旨在改善压力传感器的生产性能，使用广泛的材料纳米结构设计，包括金字塔，线或脊，半球形，微孔和仿生结构。这些传感器表现出高的信噪比(SNR)和显著的压力敏感性，可以准确地测量表皮脉冲波形。

研究成果

近年来，柔性传感技术和可穿戴式脉搏压力传感器的快速发展引起了广泛的研究兴趣，并已被用于长期和实时的心血管状态监测。由于其引人注目的特点，包括重量轻、成本效益高、佩戴舒适和对脉搏压力的高灵敏度，生理脉搏波形可以由柔性脉搏传感器精确和连续地监测，用于可穿戴健康监测。在这篇综述中，加州大学洛杉矶分校陈俊等人概述了用于人体脉搏监测的可穿戴式压力传感器，重点是传导机制、微工程结构以及脉搏波监测和心血管状况评估的相关应用。作者首先概述了获取与心血管系统有关的生理和病理信息的概念化和方法。动脉脉搏波的生物力学和各种可穿戴压力传感器的工作机制，包括摩擦电、压电、磁弹性、压阻、电容和光学传感器，作了系统的讨论。然后作者总结了基于微型工程结构装置的脉冲波测量的示范性应用。最后，总结了可穿戴式脉搏压力传感器所面临的机遇和挑战，以及它们作为可穿戴式智能系统用于个性化医疗的潜力。该综述以“Wearable pressure sensors for pulse wave monitoring”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

图1.用于人体健康监测的可穿戴脉搏压力传感器。

图2.脉冲波的产生和传播。

图3.可穿戴式脉搏压力传感器中的转导机制示意图。

图4.用于脉搏波监测的压阻式传感器。

图5.用于脉搏波监测的电容式传感器。

图6.用于脉搏波监测的压电传感器。

图7.用于脉搏波监测的纳米摩擦发电传感器。

图8. 用于脉搏波监测的磁弹性传感器。

图9.目前可穿戴压力传感器的成就和挑战。

图10.用于个性化医疗的可穿戴压力传感器的拟议评估标准示意图。

图11.未来利用可穿戴式脉搏传感器进行个性化治疗的前景。

总结展望

在本文中，作者首先说明脉冲传播的力学原理，并介绍每一类传感器的工作原理，包括基于电阻、电容、光学、压电、摩擦电和磁弹性效应的可穿戴压力传感器。接着，从先进的结构设计、功能材料创新和医疗应用的角度，全面而周到地回顾了每一类可穿戴式传感器。最后，作者对物联网时代在物理和网络层面为个性化健康开发可穿戴式脉搏压力传感器的制造方法和技术进行了概述。本综述中描述的世界领先的几何纳米结构和材料工程方面的努力和创新将推动柔性电子的发展，这将很快彻底改变物联网时代人类的日常生活。迄今为止,可穿戴式压力传感器已经见证了突出的发展，已经成为个性化医疗的一个前沿。通过灵活的微型和纳米能源节点和通信控制单元，可穿戴压力传感器和嵌入人体的治疗节点可以协同工作，形成一个早期疾病预防和诊断的护理点，精确治疗，并以智能闭环的方式反馈医疗结果。患者和临床医生都可以通过这种特定疾病的智能电子设备获取稳定的生理和病理信号，实时跟踪治疗进展。智能电子设备的广泛使用以在不久的将来使人们摆脱对昂贵的集中式医院的依赖，从而获得更好的治疗效果。然而，仍需要进一步的研究来改善可穿戴的舒适性，如便携性、触摸柔软性、透气性和生物相容性，而不损害护理点的功能。护理点还需要根据用户的需求对其基本的可穿戴特性进行更多的研究投入，如重量轻、可清洗和美学特性。此外，信号完整性是最重要的考虑因素之一。通过实验手段保持信号的完整性，可以通过提高接口的完整性、材料的质量和密封包装来阻隔水分和其他可能阻碍感兴趣的信号的环境因素。同样，随着实验的增加，需要建立标准化的信号特征，通过模拟和数字手段发展信号过滤。一旦高信噪比的数据被适当转换，微控制器单元就能处理它进行传输。相信未来的可穿戴式脉搏压力传感器能够在人体运动过程中可靠而精确地监测关键的心血管信号，甚至再极端条件下可连续使用。

文献链接

Wearable pressure sensors for pulse wave monitoring, First published: 19 January 2022, DOI: 10.1002/adma.202109357

https://doi.org/10.1002/adma.202109357