介绍一种新型柔性光声血液听诊器

背景介绍

具有连续监测功能的多功能个人医疗保健是推进下一代精准医疗的关键。目前，通过从浅表皮肤收集广泛的物理或化学信息，一类新兴的柔性传感器展示了它们对体温、表面电生理信号、汗液、唾液等进行原位分析的能力，然而，这仍然是一个挑战。血液携带着丰富的临床信息，但由于皮肤屏障，非侵入性获取血液具有挑战性。直接测量多种物理和化学血液动力学特性对心血管疾病的早期检测或治疗具有重要意义。例如，持续的血氧饱和度评估，特别是对患者、老年人和婴儿的血氧饱和度，可以帮助反映患者的氧气供应能力；化学成分的跟踪，例如血液中的外源性药物浓度，提供了有意义的药代动力学信息；此外，血流动力学分析可以用于心血管疾病的诊断。

血液理化信息的无创监测目前是使用光学或声学传感器实现的。随着光电子技术的进步，接收血液反射光的光学传感器可以制成柔性薄膜，从而与皮肤紧密粘附。因此，心血管相关参数，包括氧饱和度、葡萄糖水平、血压和血流，可以被光学监测。然而，由于光子在人体组织内的快速扩散和散射，光学传感器只能统计地读出光辐射区域的总体生理信息，但无法解析深层组织中的任何特定血管。类似地，用于皮肤生理学研究的基于热传输特性的血流检测仅能够进入浅表脉管系统。

除了光学传感器之外，检测从血管传输的超声脉冲的柔性振动传感器也可以评估心血管相关的血液动力学信息，这些信息已经被很好地小型化并使皮肤变得可塑形；使用振动传感器可以实现单血管分辨率的深血管测量。然而，涉及超声技术的振动测量仅对血液的机械特性敏感，无法感知血液生理生物标志物的变化。其他非侵入性方法，如电化学方法，可以从体液（如汗液、眼泪和唾液）间接推断血液生理参数。尽管如此，外部流体的组成仅部分依赖于血液，也不能立即反映原位血液状态和血管形态。简言之，目前的血液传感器无法定位皮肤下的血管，从而提供有关分布式血液特性的直接信息。除此之外，他们只能提供单一的生理生命测量，从而限制了他们对心血管健康状况进行全面、多维评估的能力。

本文亮点

1. 本工作报道了一种灵活的光声血液“听诊器”，用于无创、多参数和连续的心血管监测，无需复杂的程序。光声血液“听诊器”的特点是光传输元件照射血液，压电声学元件捕获光诱导声波。

2. 光声血液“听诊器”可以粘附在皮肤上，对多种心血管生物标志物进行连续、无创的原位监测，包括缺氧、血管内外源性药物浓度衰减和血液动力学，这些都可以通过定制的3D算法进一步可视化。

3. 体内动物试验和人体受试者的演示突出了光声血液“听诊器”在心血管疾病诊断和预测方面的潜力。

图文解析

图1 光声血液听诊器（OBS）的设计和工作原理

图2 光学和声学元件的设计和特性

图3 3D成像算法

图4 小鼠缺氧和血管内外源性药物浓度衰减试验

图5 静脉血管闭塞试验

图6 动脉血管闭塞试验

审核编辑：刘清