動(dòng)脈硬化是一種常見(jiàn)的、危害性極大的慢性心血管疾病，是引起中風(fēng)與心肌梗塞的重要因素。在臨床上，通?？梢酝ㄟ^(guò)對脈搏波傳導速度（PWV）的測試來(lái)對動(dòng)脈硬化進(jìn)行評估與診斷。這種方式一般需要在動(dòng)脈的兩個(gè)不同位置進(jìn)行脈搏檢測，通過(guò)計算兩個(gè)位置脈搏的路程差與時(shí)間差得到PWV。然而，這種檢測方法依賴(lài)于昂貴且體積龐大的檢測設備，難以適用于動(dòng)脈硬化的日常監測。此外，目前基于光電容積法的脈搏檢測方法易于受到運動(dòng)與自然光的干擾。因此，開(kāi)發(fā)一種非侵入式的，并對動(dòng)脈硬化進(jìn)行連續準確監測的可穿戴設備，可以為心血管疾病的預防與治療提供一種有效的解決方案。

近日，南方科技大學(xué)的郭傳飛課題組與南方科技大學(xué)醫院、深圳技術(shù)大學(xué)等單位合作，研發(fā)了一種基于指尖單點(diǎn)脈搏檢測的動(dòng)脈硬化診斷系統。研究者用高精度的3D打印技術(shù)制造了一種可線(xiàn)性響應的離子凝膠微結構，并將其用于離電型壓力傳感器。該微結構，采用摩方精密2μm精度的nanoArch S130 打印的模具經(jīng)PDMS翻模澆注離子凝膠制備而成，模具中的凹槽長(cháng)度大約150μm，類(lèi)花生殼柱體高度約100μm左右，最大直徑60μm左右。這種結構可以實(shí)現傳感器0~150 kPa范圍內的線(xiàn)性壓力-電容響應，因此避免了不同預壓力下器件傳感性能的差異，保證了脈搏檢測的穩定性與可靠性。此外，該傳感器也有著(zhù)較高的靈敏度（1.2 kPa-1）與壓力分辨率（<1Pa），滿(mǎn)足指尖處微弱的脈搏檢測需求。相比于腕部脈搏測試，指尖脈搏測試中指腹處皮膚無(wú)自主運動(dòng)，有效抑制了運動(dòng)偽影，在測試者正?；顒?dòng)下實(shí)現了長(cháng)達5小時(shí)的連續穩定脈搏監測。這種指尖脈搏波可以通過(guò)Hiroshi法計算出心臟-指尖脈搏波傳導速度（hfPWV）。

研究者通過(guò)線(xiàn)性擬合，發(fā)現hfPWV與臨床應用的臂踝脈搏波速度有著(zhù)很強的相關(guān)性（r=0.857），因此可以進(jìn)一步結合年齡實(shí)現對測試者動(dòng)脈硬化狀況的評估與診斷?；?/span>hfPWV的動(dòng)脈硬化診斷模型，在對不同程度心血管疾病就診患者的檢測中達到了近90%的準確率，體現了這一方法優(yōu)異的可靠性與普適性，從而為動(dòng)脈硬化的連續監測與評估提供了一種低成本的策略。

相關(guān)成果以“Arteriosclerosis Assessment Based on Single-Point Fingertip Pulse Monitoring Using a Wearable Iontronic Sensor"為題發(fā)表于國際期刊《Advanced Healthcare Materials》上，也得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項目的支持。

圖1. 單點(diǎn)法脈搏波傳導速度測試的機理。（a）hfPWV測試機理示意圖。（b）典型的指尖脈搏波與相應的加速脈搏波。（c）傳統兩點(diǎn)法baPWV測試的機理。

圖2. 高性能離電傳感器的工作原理與性能。（a）具有線(xiàn)性響應的微結構、凸起-平面結構、半球結構在壓力下的變形行為與應力分布的力學(xué)模擬。（b）三種結構在壓力下接觸面積變化的力學(xué)模擬。（c）具有線(xiàn)性響應的微結構的表面形貌圖。（d）離電傳感器電容隨壓力的變化。（e）不同預壓力下傳感器對小壓力的分辨率。（f）響應時(shí)間。（g）傳感器在20 kPa壓力下10000次循環(huán)測試性能。

圖3. 離電傳感器對指尖脈搏的檢測性能。（a）手腕關(guān)節運動(dòng)過(guò)程中橈動(dòng)脈脈搏的記錄。（b）手指彎曲過(guò)程中指尖脈搏的記錄。（c）自然狀態(tài)下傳感器對測試者1個(gè)小時(shí)的脈搏記錄。（d）一位25歲男性測試者在不同預壓力下脈搏主波（沖擊波）的強度。（e）傳感器對不同年齡健康測試者典型脈搏的記錄。（f）測試者潮波高度隨年齡的變化。

圖4. 通過(guò)指尖脈搏波測試實(shí)現hfPWV的獲取。（a）hfPWV隨年齡的變化趨勢。（b）hfPWV與心臟-指尖脈搏波傳導時(shí)間（hfPTT）在運動(dòng)前后發(fā)生的變化。（c）對一位25歲測試者進(jìn)行5小時(shí)連續脈搏監測過(guò)程中hfPWV與hfPTT的變化趨勢。（d）3位年齡近似（50歲左右），動(dòng)脈硬化狀況不同（從左到右逐漸嚴重）的測試者的脈搏波與加速脈搏波（APW）。（e）通過(guò)計算得到的（d）圖中3位測試者的hfPWV。

圖5. hfPWV在動(dòng)脈硬化評估診斷中的應用。（a）動(dòng)脈硬化的4種不同程度，從i到iv逐漸嚴重。（b）通過(guò)baPWV與年齡劃分的41位測試者的動(dòng)脈硬化程度。（c）hfPWV與baPWV的線(xiàn)性擬合。將hfPWV線(xiàn)性轉換為baPWV’后，對41位測試者baPWV與baPWV’的一致性評價(jià)。（e）41位測試者baPWV與hfPWV的偏差。（f）從基于baPWV對動(dòng)脈硬化評價(jià)標準到基于hfPWV的評價(jià)標準的轉換流程。（g）基于hfPWV標準的41位測試者的動(dòng)脈硬化程度。（h）采用hfPWV標準后對9位新測試者的動(dòng)脈硬化程度的評判。（i）采用baPWV與hfPWV標準下對9位新測試者動(dòng)脈硬化程度評估的比較。