具有連續(xù)監(jiān)測功能的多功能個人醫(yī)療保健，已成為推進下一代精準醫(yī)療的關(guān)鍵。目前，通過從淺表皮膚收集各種物理或化學信息，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、唾液等體征進行原位分析的能力。

但是，對深埋血管具有臨床意義的生理特征進行無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測仍然存在挑戰(zhàn)。血液攜帶著豐富的臨床信息，但由于皮膚屏障，很難以無創(chuàng)方式獲取這些信息。直接測量多種物理和化學血液動力學特性，對心血管疾病的早期檢測或治療具有重要意義。

例如，連續(xù)血氧飽和度評估，尤其是對患者、老年人和嬰兒的連續(xù)血氧飽和度評估，可以反映患者的氧氣供應(yīng)能力；血液化學成分的跟蹤，例如血液中的外源性藥物濃度，可以提供有意義的藥代動力學信息；此外，血流動力學分析可以用于心血管疾病的診斷。

目前，血液理化信息的無創(chuàng)監(jiān)測通常采用光學或聲學傳感器來實現(xiàn)。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，接收血液反射光的光學傳感器可以被制成柔性薄膜形式，從而緊密粘附在皮膚表面。

由此，可以通過光學技術(shù)監(jiān)測心血管相關(guān)參數(shù)，包括血氧飽和度、葡萄糖水平、血壓以及血流等。然而，由于光子在人體組織內(nèi)部的快速擴散和散射，光學傳感器只能統(tǒng)計性地讀出光輻射區(qū)域的粗略生理信息，無法解析深層組織中的特定血管。

類似地，用于皮膚生理學研究的基于熱傳輸特性的血流檢測，也僅能進入淺表脈管系統(tǒng)。除了光學傳感器之外，檢測從血管傳輸?shù)某暡}沖的柔性振動傳感器也可以評估心血管相關(guān)的血液動力學信息，這類傳感器已經(jīng)被小型化并能夠貼合皮膚；利用這類振動傳感器可以實現(xiàn)單血管分辨率的深埋血管測量。

然而，采用超聲波技術(shù)的振動測量，僅對血液的機械特性敏感，無法感知血液中生理生物標志物的變化。電化學等其他無創(chuàng)方法，可以從汗液、眼淚和唾液等體液間接推斷血液生理參數(shù)。

但是，外部體液的成分僅與血液部分相關(guān)，也無法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，現(xiàn)有方案只能提供單一的生理體征測量，限制了它們對心血管健康狀況進行全面、多維度的評估。

光聲成像是一種混合成像模式，結(jié)合了聲學的深度穿透和光學的豐富光譜對比度的優(yōu)勢，可以感知深層組織中的各種血液參數(shù)，不過，該方案仍然需要龐大且剛性的傳感器探頭和測試前端。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院的研究人員提出了一種柔性光聲血液“聽診器”（OBS），具有無創(chuàng)連續(xù)3D多參數(shù)心血管監(jiān)測功能。得益于其貼合皮膚及連續(xù)工作的特性，這種光聲血液“聽診器”能夠?qū)ι顚友汉脱苓M行動態(tài)、功能分析，不像傳統(tǒng)光聲系統(tǒng)僅能夠提供結(jié)構(gòu)圖像和顯示。該研究成果已經(jīng)以“A flexible optoacoustic blood ‘stethoscope’ for noninvasive multiparametric cardiovascular monitoring”為題，發(fā)表于Nature Communications期刊。

該研究所提出光聲血液“聽診器”的結(jié)構(gòu)示意圖，包含光學（微透鏡）和聲學（壓電層）元件，以及與連接層、絕緣層、電極和封裝層的多層集成

這種光聲血液“聽診器”可以檢測多種生理生命體征，例如缺氧、外源性藥物衰減、血管順應(yīng)性、內(nèi)皮功能障礙，通過量身定制的算法重建3D血管模型，還可以從各個方面提供對心血管功能的深刻洞察。該“聽診器”基于光聲效應(yīng)：它將光輸送到血液中，觸發(fā)血液發(fā)色團的機械振動，然后以聲波的形式接收血液信號。

這種光聲血液“聽診器”包括用于光傳輸?shù)念A(yù)鉆孔的微透鏡陣列，以及作為聲學接收器的交替壓電傳感器陣列。該器件之所以被稱為血液“聽診器”，是因為它與傳統(tǒng)聽診器類似，也是通過“傾聽”聲波來表征血液特性。其信息采集過程及輸出類似于傳統(tǒng)的聽診器，同時它也具有捕捉上述生命體征成像數(shù)據(jù)的獨特能力。

這種柔性光聲血液“聽診器”旨在提高患者在測量過程中的舒適度，這是相對現(xiàn)有光聲系統(tǒng)的巨大進步。體內(nèi)動物實驗和人體試驗表明，該“聽診器”可以無創(chuàng)定位血管，并連續(xù)監(jiān)測與多種心血管疾病直接相關(guān)的豐富血液特征，例如血液動力學、缺氧和血管內(nèi)外源性藥物代謝等。

光聲血液“聽診器”中光學和聲學元件的設(shè)計及表征

3D成像算法

靜脈血管閉塞試驗

研究人員通過實驗表明，這種柔性光聲血液“聽診器”可以貼合皮膚，對多種心血管生物標志物進行無創(chuàng)的連續(xù)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等，這些都可以通過定制的3D算法進一步可視化。體內(nèi)動物試驗和人體受試者的演示，突出了這種“聽診器”在心血管疾病診斷和預(yù)測方面的應(yīng)用潛力。

未來的研究將通過集成更密集的聲學和光學元件、結(jié)合LED光源、更緊湊的采集電路以及基于可編程片上系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)來進一步改進，從而對動物和人類進行更廣泛的分布式、移動和實時監(jiān)測。此外，進一步的臨床驗證有望擴大光聲血液“聽診器”的應(yīng)用范圍，加速移動醫(yī)療的發(fā)展，推進當前最先進的臨床實踐，以預(yù)防并研究心血管相關(guān)疾病。

審核編輯：劉清