柔性超聲波貼片：可實時監測動脈血壓！

知識 09-14

近日，美國加州大學聖地亞哥分校的研究人員開發出一種新型超聲波貼片，它能以非侵入性的方式，監測皮膚深處的動脈血壓，從而幫助人們早期檢測心血管問題，而且精度更高。在測試中，貼片的表現堪比一些測量血壓的臨床方法。

背景

如今，作為新興的前沿技術之一，具有生理指標監測功能的柔性可穿戴設備受到了廣泛關注。此類可穿戴設備非常適合應用於人體軟組織，例如皮膚，實時監測各種人體生理健康數據。筆者曾經介紹過許多這方面的科研案例，例如：

1）美國加州大學伯克利分校開發的一款通過汗液監測人體健康狀況的手環。

（圖片來源：加州大學伯克利分校）

2）美國羅格斯大學新布朗斯維克校區的工程師們創造出一種新型智能手環，他可以通過血細胞計數來幫助判斷癌症和白血病等疾病。

（圖片來源：Abbas Furniturewalla）

3）美國生物醫學影像學與生物工程學研究所的工程師開發了一種微型可穿戴的電子紋身。它可以檢測汗液中的酒精含量，有助於減少不安全飲酒導致的交通事故、暴力、以及酗酒者的健康問題。

（圖片來源：美國化學學會）

4）韓國首爾基礎科學研究院科學家開發出的柔性石墨烯腕帶，它能夠監測並治療糖尿病。

（圖片來源：Hui Won Yun / 首爾大學）

5）韓國大邱慶北科學技術院與美國西北大學的國際研究團隊開發開發出一種新型電子皮膚，可監測心率、呼吸、肌肉運動和其他健康數據，並可將數據無線發送至智能手機。

（圖片來源：大邱慶北科學技術院）

創新

與上述柔性可穿戴設備類似，筆者今天要再為大家介紹一款新設備。

近日，美國加州大學聖地亞哥分校（UC San Diego）的研究人員開發出一種新型超聲波貼片，它能以非侵入性的方式監測皮膚深處的動脈血壓，從而幫助人們早期檢測心血管問題，而且精度更高。在測試中，貼片的表現堪比一些測量血壓的臨床方法。

（圖片來源：Chonghe Wang/Nature Biomedical Engineering）

相關研究成果於9月11日發表在《自然生物醫學工程（Nature Biomedical Engineering）》期刊上。

技術

貼片採用超聲波，有望通過非侵入性的方式追蹤其他來自身體內部深處的生命體征和生理信號。

加州大學聖地亞哥分校雅各布工程學院納米工程系教授、論文通信作者 Sheng Xu 表示：「目前，可穿戴設備被限制在用於感知皮膚表面或者其下方不遠處的信號。但是，這就像只看到了冰山一角。我們通過將超聲波技術集成到可穿戴設備中，開始能以一種非侵入性的方式，捕捉許多其他信號以及皮膚表面下方正在發生的生物事件與活動。」

加州大學聖地亞哥分校可穿戴感測器中心的成員 Xu 表示：「我們正在為可穿戴電子設備的感知範圍添加第三個維度。」

這種新型超聲波貼片可持續監測皮膚下方深達四厘米（超過一英寸）處的主要動脈中的中心動脈壓。

這種設備可測量出中心動脈壓，它與上臂上綁著的充氣臂帶測量到的血壓（這稱為「外周血壓」）不一樣。中心動脈壓是中心動脈血管中的血壓，中心動脈血管直接將血液從心臟輸送至全身其他主要器官。醫療專家認為中心動脈血壓比外周血壓更加精準，並認為它更加有利於預測心臟疾病。

然而，常規的檢測方法無法測量中心動脈壓，因此需要採用最先進的臨床方法，但它卻是侵入性的。這些方法包括將導管插入患者手臂、腹股溝或頸部的動脈中，並引導它通往心臟。

雖然存在著非侵入性的方法，但是非侵入性的方法卻無法持續地生成精準的讀數。這種方法包括將一種像鉛筆一樣的探針，也稱為血壓計（tonometer），直接放在位於主要血管上方的皮膚上。為了獲得良好的讀數，血壓計必須被平穩地握住，施加正確的角度與正確的壓力量。但是，它會因具體測試與醫師的不同而存在差異。

論文第一作者、加州大學聖地亞哥分校納米工程系研究生 Chonghe Wang 表示：「這種測試高度依賴於操作人員。即使擁有恰當的技術，如果你移動血壓計的探針誤差達一毫米，數據就會變得不準。如果你將血壓計向下按得太狠，將會給血管施加太多的壓力，這也會影響數據。」血壓計也要求患者坐著不動，這使得持續監測變得困難，而且也無法做到足夠靈敏，以至於可以通過脂肪組織獲取良好的讀數。

加州大學聖地亞哥分校領導的團隊開發出一種便捷的替代方案：一種柔性、可拉伸的超聲波貼片。它可以佩戴在皮膚上，每次都能提供精準的中心動脈血管血壓讀數，即使用戶在移動中。

貼片的測試在一個男性受試者身上開展，他將貼片穿戴在前臂、手腕、脖子和腳上。受試者處於靜止和運動時，分別展開測試。貼片採集的讀數比商用血壓計的讀數更加一致且精準。貼片的讀數也可以媲美傳統的超聲波探針採集的讀數。

（圖片來源：Chonghe Wang/Nature Biomedical Engineering）

Wang 表示：「這項研究的主要進展就是將超聲波技術轉移到可穿戴平台中。這相當重要，因為現在我們能對皮膚下方的主要血管展開持續、非侵入性的檢測，而不僅僅是淺表組織。」

這種貼片是一種硅酮彈性體薄片，上面具有「島-橋（island-bridge）」結構的圖案。小型電子部件（島）通過彈簧狀的線（橋）相互連接。每個島含有電極和稱為「壓電換能器」的設備，電流通過它時可以產生出超聲波。連接它們的橋由彈簧狀的細銅線組成。這種島-橋結構使得整個貼片可以適應皮膚，而且拉伸、彎曲和扭曲不會損傷電子功能。