可穿戴电子

研究背景

基于光电容积脉搏波（PPG）的浅动脉位（指尖、手腕、耳垂）的动脉氧合传感器（指夹式血氧仪、运动手表、耳机）已在临床诊断和日常生活中大量应用。然而，此类产品反映心肺功能，对于静脉、混合动静脉的氧合水平测量始终是研究的难点。外周动脉疾病(PAD)是世界上第三大心血管疾病，通常与其他心脑血管疾病相关，具有较高的致残率和病死率。全世界有超过2.2亿患者患有PAD，导致患者间歇性跛行、静息性疼痛、四肢溃疡和肢体坏疽，并且由于人口老龄化加剧，这一数字正在迅速增加。目前，最常用的诊断和监测PAD的方法是踝臂指数(ABI)、氧分压(pO2)、CT血管造影(CTA)等，但这些方法测量成本高、仪器操作复杂，需要专业训练的临床医生介入。此外，这些方法都没有解决患者出院后对远心端组织血流动力学监测的需要。

创新点

南京大学的Lijia Pan和Yi Shi团队报道了一种用于监测区域血流动力学，多生命参数感知的皮肤生物传感器。能够实时监测包括混合动静脉氧饱和度（rSO2）、心率（HR）、动脉氧饱和度（SpO2）和血流灌注指数（PI）。研究表明，这种超轻、超薄的生物传感器能够监测人体全身组织的区域血流动力学参数。临床数据显示，皮肤生物传感器的测量结果与目前临床测量的ABI和CTA结果高度相关，表明该装置可用于PAD的术前诊断、手术指导和术后康复。此外，对于动脉硬化和低病变平面患者，传感器显示出纠正ABI的假阳性的能力，这种能力已被CTA结论证实。

图1：皮肤光电生物传感器的原理图、设计和表征。(A) 与用于监测局部组织血流动力学的柔性电路集成的装置示意图。预期应用：(Ⅰ)临床诊断(Ⅱ)手术监护(Ⅲ)术后护理；(B, C) 集成光电元件、近红外LED传感器和PD的正面图和结构图。插图:蛇形-蜂窝导线特征；(D) 放置在皮肤上的生物传感器工作图像；(E) 生物传感器与皮肤超保形特征；(F, G) 通过挤压导致皮肤形变后设备的工作状态。

图2：皮肤光电生物传感器的光学、电子和机械设计。(A) LED光谱图和PD的光谱响应；(B) LED和PD的工作时序图；(C) 系统级的有限元分析揭示了高达30%的双轴应变的位移和分布；(D) 蛇形-蜂窝结构在双向拉伸下的方阻；(E) 皮肤装置在不同应变下的蛇形-蜂窝互连图像；(F) 血红蛋白和含氧血红蛋白在近红外波段的摩尔消光系数谱。

图3：皮肤光电生物传感器测量人体多种生命参数表征。(A) rSO2、SpO2、HR和PI的数据分析程序流程图；(B) 使用皮肤光电生物传感器在前臂上记录混合动静脉无线测量结果。(C) 前臂动脉搏动测量；(D)为(C)中红色虚线框的放大视图；(E)为(C)中信号的傅里叶变换：图中显示了三个谐波，其中第一个谐波对应于心率（约1.17 Hz或每分钟70次）。(F) 生物传感器和商业设备对比测试成人屏气1min内HR和SpO2变化。(G，H) Bland–Altman分析生物传感器和商业设备之间的SpO2和HR测量结果。

图4：皮肤光电生物传感器评估缺氧期间的组织氧饱和度。(A) 静脉阻塞之前、期间和之后的过程；(B) 静脉闭塞期间rSO2变化过程；(C) 对肱二头肌进行举重运动，并在运动期间实时监测肌肉氧饱和度的变化；此外，生物传感器还能确定肌肉组织从有氧运动转为无氧运动的乳酸阈值点；(D) (E)不同年龄组的组织氧合水平。

图5：生物传感器在PAD诊断和评估治疗效果中的应用。(A) 临床实验中受试者手术前后ABI的变化；(B) 利用生物传感器测量的临床实验中受试者手术前后rSO2的变化；(C) 利用生物传感器测量的临床实验中受试者手术前后PI的变化；(D) 受试者9和10在手术前后的CAT，作为临床比较标准；(E) 受试者9手术前后ABI和rSO2的变化；(F) 手术前后受试者10的ABI和rSO2的变化。

读后感

作者介绍了一种用于连续监测血流动力学的超轻、超薄具有多生命参数感知能力的生物光电传感器，并将其应用分析PAD引起的各种临床症状。生物传感器通过实时缺氧和肌肉耗氧实验显示出了同时检测多个生命参数的强大能力。该传感器能够准确、直接、快速地反映组织血流动力学参数，测量结果与ABI和CTA分析结果高度相关。特别是对于动脉硬化和低病变平面患者，生物传感器显示出了纠正ABI假阳性结果的能力；同时兼顾简单、方便的测试条件，将弥补现有PAD的临床诊断和监控方法。皮肤光电生物传感器在研究器官组织氧介导、运动医学和PAD的人工智能监测方面展现出了巨大潜力。

转自：“i学术i科研”微信公众号

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