自驅(qū)動主動式傳感技術(shù)在心血管疾病診治上的應(yīng)用

心血管疾病又稱為循環(huán)系統(tǒng)疾病，已成為全球最常見的死因之一，據(jù)統(tǒng)計每年有近兩千萬人死于該病，幸運的是90%的心血管疾病都是可以預(yù)防的。移動健康醫(yī)療技術(shù)為心血管疾病的預(yù)防提供了新機遇。通過長期監(jiān)控心電、心音、血壓、脈搏等生理信號可以有效地獲取心血管系統(tǒng)的健康狀況從而達到心血管疾病預(yù)防的目的。而脈搏傳感技術(shù)以其無創(chuàng)、便捷等諸多優(yōu)勢成為移動健康醫(yī)療領(lǐng)域研究最多應(yīng)用最廣泛的傳感技術(shù)之一。光電式脈搏傳感器和壓電式脈搏傳感器作為最常用的脈搏傳感器件，在靈敏度、信噪比、功耗及成本等方面依然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。例如，光電式脈搏傳感器對環(huán)境光和人體運動非常敏感，行走和手臂擺動等肢體運動均會導(dǎo)致偽跡的產(chǎn)生。移動可穿戴健康醫(yī)療領(lǐng)域的持續(xù)革新對傳感器的小型化、功耗、靈敏度、兼容性等關(guān)鍵特性提出了新的要求。尤其是小型化導(dǎo)致的電源供應(yīng)的減少讓靈敏度和功耗之間的矛盾愈加突出。相較于目前大量的研究工作聚焦于尋求功耗與靈敏度之間的平衡，自驅(qū)動主動式傳感技術(shù)的提出為解決這一矛盾提供了新的方案，它可以將機械振動信號直接化為電信號，從而解決功耗和靈敏度的矛盾，實現(xiàn)無功耗高靈敏度的自驅(qū)動傳感。

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員李舟和中科院外籍院士王中林領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合科研團隊，與北京安貞醫(yī)院和朝陽醫(yī)院的范一帆、孫廣龍兩位心血管疾病專家合作開展研究工作，共同研發(fā)出無需信號放大就可藍牙傳輸、針對心血管疾病進行預(yù)警和診斷的自驅(qū)動超高靈敏脈搏傳感器。博士研究生歐陽涵和田靜靜選用具有納米結(jié)構(gòu)的金屬銅和聚合物薄膜作為摩擦層，采用柔性材料作為封裝層，制造出具有良好柔韌性和優(yōu)異穩(wěn)定性的脈搏傳感器。該器件在脈搏傳感測試中，成功將脈搏振動直接轉(zhuǎn)化為高達1.52V的電信號，其信噪比達到45 dB，是光電脈搏傳感器的10倍，但是價格卻是后者的1/5。將該脈搏傳感器與藍牙模塊集成整合，可實現(xiàn)脈搏信號的無線傳輸，并實現(xiàn)在智能手機/電腦上的可視化顯示與分析。利用該脈搏傳感系統(tǒng)，研究人員對一組健康成人和一組患者進行了對比試驗，成功實現(xiàn)了對心律失常（房顫）的提示性診斷及對冠心病、房間隔缺損的鑒別性診斷。

該工作首次驗證了基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動傳感技術(shù)在心血管疾病診斷上的可行性，為移動智能健康醫(yī)療的發(fā)展提供了新的思路。該工作中提出的材料加工工藝、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、信號傳輸方案及數(shù)據(jù)分析策略為基于納米發(fā)電機的自驅(qū)動移動醫(yī)療的研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials,2017,1703456, DOI: 10.1002/adma.201703456）上。

(a)脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)脈搏傳感器與藍牙整合后實時檢測脈搏信號；(c)SUPS與藍牙整合后實物圖；(d)基于SUPS的移動智能健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；(e)主動脈球囊反搏構(gòu)建異常脈搏模型的工作示意圖；(f)主動脈球囊在不同工作模式下的脈搏信號