介紹一種新型柔性光聲血液聽診器

背景介紹

具有連續(xù)監(jiān)測功能的多功能個(gè)人醫(yī)療保健是推進(jìn)下一代精準(zhǔn)醫(yī)療的關(guān)鍵。目前，通過從淺表皮膚收集廣泛的物理或化學(xué)信息，一類新興的柔性傳感器展示了它們對體溫、表面電生理信號、汗液、唾液等進(jìn)行原位分析的能力，然而，這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。血液攜帶著豐富的臨床信息，但由于皮膚屏障，非侵入性獲取血液具有挑戰(zhàn)性。直接測量多種物理和化學(xué)血液動力學(xué)特性對心血管疾病的早期檢測或治療具有重要意義。例如，持續(xù)的血氧飽和度評估，特別是對患者、老年人和嬰兒的血氧飽和度，可以幫助反映患者的氧氣供應(yīng)能力；化學(xué)成分的跟蹤，例如血液中的外源性藥物濃度，提供了有意義的藥代動力學(xué)信息；此外，血流動力學(xué)分析可以用于心血管疾病的診斷。

血液理化信息的無創(chuàng)監(jiān)測目前是使用光學(xué)或聲學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)的。隨著光電子技術(shù)的進(jìn)步，接收血液反射光的光學(xué)傳感器可以制成柔性薄膜，從而與皮膚緊密粘附。因此，心血管相關(guān)參數(shù)，包括氧飽和度、葡萄糖水平、血壓和血流，可以被光學(xué)監(jiān)測。然而，由于光子在人體組織內(nèi)的快速擴(kuò)散和散射，光學(xué)傳感器只能統(tǒng)計(jì)地讀出光輻射區(qū)域的總體生理信息，但無法解析深層組織中的任何特定血管。類似地，用于皮膚生理學(xué)研究的基于熱傳輸特性的血流檢測僅能夠進(jìn)入淺表脈管系統(tǒng)。

除了光學(xué)傳感器之外，檢測從血管傳輸?shù)某暶}沖的柔性振動傳感器也可以評估心血管相關(guān)的血液動力學(xué)信息，這些信息已經(jīng)被很好地小型化并使皮膚變得可塑形；使用振動傳感器可以實(shí)現(xiàn)單血管分辨率的深血管測量。然而，涉及超聲技術(shù)的振動測量僅對血液的機(jī)械特性敏感，無法感知血液生理生物標(biāo)志物的變化。其他非侵入性方法，如電化學(xué)方法，可以從體液（如汗液、眼淚和唾液）間接推斷血液生理參數(shù)。盡管如此，外部流體的組成僅部分依賴于血液，也不能立即反映原位血液狀態(tài)和血管形態(tài)。簡言之，目前的血液傳感器無法定位皮膚下的血管，從而提供有關(guān)分布式血液特性的直接信息。除此之外，他們只能提供單一的生理生命測量，從而限制了他們對心血管健康狀況進(jìn)行全面、多維評估的能力。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)道了一種靈活的光聲血液“聽診器”，用于無創(chuàng)、多參數(shù)和連續(xù)的心血管監(jiān)測，無需復(fù)雜的程序。光聲血液“聽診器”的特點(diǎn)是光傳輸元件照射血液，壓電聲學(xué)元件捕獲光誘導(dǎo)聲波。

2. 光聲血液“聽診器”可以粘附在皮膚上，對多種心血管生物標(biāo)志物進(jìn)行連續(xù)、無創(chuàng)的原位監(jiān)測，包括缺氧、血管內(nèi)外源性藥物濃度衰減和血液動力學(xué)，這些都可以通過定制的3D算法進(jìn)一步可視化。

3. 體內(nèi)動物試驗(yàn)和人體受試者的演示突出了光聲血液“聽診器”在心血管疾病診斷和預(yù)測方面的潛力。

圖文解析

圖1 光聲血液聽診器（OBS）的設(shè)計(jì)和工作原理

圖2 光學(xué)和聲學(xué)元件的設(shè)計(jì)和特性

圖3 3D成像算法

圖4小鼠缺氧和血管內(nèi)外源性藥物濃度衰減試驗(yàn)

圖5 靜脈血管閉塞試驗(yàn)

圖6 動脈血管閉塞試驗(yàn)

審核編輯：劉清