基于類皮膚微光纖光柵貼片的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測技術(shù)，用于心血管健康監(jiān)測

心血管疾病是全世界人類生命健康的頭號威脅。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，全世界每年有超過1790萬人死于心血管疾病。為了對心血管疾病開展健康預(yù)警和精準(zhǔn)診療，血壓、心率、外周阻力、血管彈性等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要?？纱┐魅嵝云骷哂蓄惼つw的力學(xué)特性、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的工作能力以及高信噪比的傳感性能，適合用于心電圖、血氧、脈搏等心血管相關(guān)生理信號的監(jiān)測。然而，人體的心血管系統(tǒng)是復(fù)雜且呈網(wǎng)絡(luò)循環(huán)分布的，現(xiàn)有的可穿戴柔性器件往往僅評估心血管系統(tǒng)整體的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，無法精準(zhǔn)反應(yīng)局部血管的健康狀態(tài)。為了滿足在臨床診療和日常健康管理方面日益增長的需求，一種精準(zhǔn)的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測技術(shù)是人們夢寐以求的。

以光纖布拉格光柵（FBG）為代表的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)非常適合應(yīng)用于時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測，其分布式多通道的傳感能力、傳感節(jié)點(diǎn)間極佳的時(shí)間同步性和對電磁干擾的免疫為高信噪比多生理信號的檢測打下基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)的石英材質(zhì)光纖和人體皮膚相比具有力學(xué)特性上的巨大差異，且對人體微弱力學(xué)生理信號靈敏度低。使用彈性體材料的柔性封裝技術(shù)能夠一定程度上緩解力學(xué)失配，但過厚的封裝會進(jìn)一步降低FBG傳感器的力學(xué)響應(yīng)?；谖⒐饫w的光子皮膚具有極佳的柔性、易構(gòu)型性和疏逝場帶來的優(yōu)越的靈敏度，近年來成為柔性器件領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。但現(xiàn)有的微光纖光子皮膚缺乏波長編碼策略，不具備時(shí)間同步的多通道多參量傳感能力。

近日，南京大學(xué)徐飛教授、陳燁研究員、陸延青教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京鼓樓醫(yī)院徐標(biāo)主任醫(yī)師、戴慶主治醫(yī)師團(tuán)隊(duì)針對上述難點(diǎn)提出了一種基于類皮膚微光纖光柵組的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)使用微光纖搭配百微米厚的超薄柔性封裝技術(shù)制備微光纖皮膚貼片，通過有效降低器件等效模量和微光纖橫截面積將傳感器對微小應(yīng)力的響應(yīng)提高了2個(gè)數(shù)量級（面對50 mN以內(nèi)的壓力，靈敏度為5.26 nm/N），且在10，000次壓力作用下呈現(xiàn)出良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。此外，該技術(shù)利用飛秒激光直寫技術(shù)無創(chuàng)地將光柵刻至微光纖的內(nèi)部，為多個(gè)微光纖皮膚貼片提供不同的波長編碼，賦予其多通道同步傳感能力。通過將微光纖光柵皮膚貼片串聯(lián)成組，人體各節(jié)點(diǎn)多生理信號能夠被同時(shí)感知并通過不同的工作波長被分辨。由于以光為載體的生理信號在微光纖光柵組中以接近光速傳播，因此人體多節(jié)點(diǎn)生理信號的時(shí)間同步性僅受限于光纖光柵解調(diào)設(shè)備。通過檢測微光纖光柵組人體心血管系統(tǒng)中近端心沖擊信號和遠(yuǎn)端各淺表動(dòng)脈處的脈搏波，進(jìn)而計(jì)算脈搏波傳播時(shí)間（PTT），構(gòu)建了時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測技術(shù)。

圖1 類皮膚微光纖光柵貼片

通過檢測心血管系統(tǒng)近遠(yuǎn)端的機(jī)械信號（而非電生理活動(dòng)信號），該監(jiān)測技術(shù)能夠呈現(xiàn)全身心血管系統(tǒng)心臟搏動(dòng)、血管擴(kuò)張、脈搏波傳播的真實(shí)的全力學(xué)過程。該研究提出了三種血流動(dòng)力學(xué)檢測工作模式。首先，頸動(dòng)脈、橈動(dòng)脈、足背動(dòng)脈等人體不同淺表動(dòng)脈位置處的脈搏波被采集，并配合心沖擊信號分析出脈搏波沿三條不同動(dòng)脈支路的PTT，不同的PTT來源于血管長度、直徑、彈性模量的差異，該工作模式可以實(shí)現(xiàn)心血管系統(tǒng)中局部動(dòng)脈支路的健康評估。其次，微光纖光柵組動(dòng)態(tài)記錄了受試者在運(yùn)動(dòng)和靜息兩種狀態(tài)切換過程中的雙路生理信號，通過心動(dòng)周期計(jì)算實(shí)時(shí)心率，計(jì)算得的脈搏波傳播速度變化反映血壓的變化。此外，微光纖光柵組動(dòng)態(tài)記錄了動(dòng)脈在受迫過程中的雙路生理信號，PTT的變化能夠高靈敏地反映出相應(yīng)動(dòng)脈外周阻力的不同程度，首次提出了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的局部血管外周阻力監(jiān)測方案。

圖2 可配置的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測

該研究充分發(fā)展了基于微光纖光柵組的多通道同步傳感技術(shù)，該技術(shù)具有時(shí)間動(dòng)態(tài)、空間分布、易組網(wǎng)可配置、高靈敏度、高柔性的顯著優(yōu)勢。所提出的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測技術(shù)具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地評估全身心血管系統(tǒng)中局部血管健康狀態(tài)的工作能力，在血栓、血管硬化、高血壓等心血管疾病的精準(zhǔn)診療、快速早篩、健康預(yù)警等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1401103），國家自然科學(xué)基金（61925502， 51772145）支持。研究成果以“Spatiotemporal hemodynamic monitoring via configurable skin-like microfiber Bragg grating group”為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances期刊上。

論文信息：

DOI： 10.29026/oea.2023.230018