作為重要的生命體征之一，血壓是評(píng)估心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。中心動(dòng)脈壓與靶器官損害和心血管疾病有密切的病理生理聯(lián)系，動(dòng)脈血壓監(jiān)測(cè)對(duì)心腦血管事件有較高的預(yù)測(cè)價(jià)值，可為人體心臟機(jī)能、動(dòng)脈彈性表征等臨床診斷提供依據(jù)。近年來(lái)，隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，柔性電子器件的材料、設(shè)計(jì)和制造工藝都取得了巨大進(jìn)展。一些柔性電子設(shè)備已用于輔助治療和生命體征測(cè)量。將超聲檢測(cè)與柔性電子設(shè)備相結(jié)合，形成可穿戴式血壓檢測(cè)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的血壓測(cè)量。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)血壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用，天津大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有高穿透性的小型柔性壓電超聲換能器陣列。相比于傳統(tǒng)的剛性超聲探頭，這項(xiàng)研究提出的柔性壓電超聲換能器陣列具有柔性、可貼合人體頸部的特點(diǎn)。它通過(guò)發(fā)射超聲波動(dòng)態(tài)檢測(cè)人體主動(dòng)脈血管壁并獲得關(guān)于血管直徑的時(shí)域信息，根據(jù)血壓和血管直徑之間的關(guān)系模型可以得到主動(dòng)脈血壓波形。這項(xiàng)研究為連續(xù)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)中心主動(dòng)脈血壓提供了可行之路。相關(guān)研究成果以“用于動(dòng)脈血壓監(jiān)測(cè)的柔性超聲換能器陣列”為題發(fā)表在《儀器儀表學(xué)報(bào)》期刊上。
在這項(xiàng)研究工作中，研究人員使用PZT-5H材料制作了兩種中心頻率分別為2.5 MHz和4.5 MHz的柔性超聲壓電換能器陣列。換能器為1 × 16線性陣列，陣元尺寸為0.8 mm × 13 mm，陣元中心間距為1 mm。換能器陣列的柔性基底和柔性電極設(shè)計(jì)，使其能夠貼合在形狀不規(guī)則的人體頸部皮膚，并進(jìn)行頸動(dòng)脈血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)相控陣電子聚焦發(fā)射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超聲波束的能量匯聚和波束偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以探測(cè)人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性。
圖1 柔性超聲壓電換能器單個(gè)陣元的結(jié)構(gòu)
圖2 柔性超聲壓電換能器陣列實(shí)物圖
研究人員將兩種柔性超聲壓電換能器陣列在仿組織超聲體模上進(jìn)行了B超聲成像測(cè)試，B超圖像顯示中心頻率為2.5 MHz的線陣可實(shí)現(xiàn)90 mm的穿透深度，中心頻率為4.5 MHz的線陣可實(shí)現(xiàn)40 mm的穿透深度。
圖3 KS107BD(L)型仿組織超聲體模
圖4 柔性超聲壓電換能器陣列B超成像
任何影響心輸出量和外周血管阻力的因素都會(huì)影響動(dòng)脈血壓，例如每搏輸出量、外周血管阻力、大動(dòng)脈壁彈性和循環(huán)血量等，因此，血壓一直處于波動(dòng)狀態(tài)。反之，動(dòng)脈血壓波形可以反映心臟的功能以及大動(dòng)脈的機(jī)械特性和外周阻力情況。利用柔性超聲壓電換能器進(jìn)行日常血壓監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)身體中存在的危險(xiǎn)因素。
該柔性超聲壓電換能器陣列探測(cè)血壓時(shí)可以提供收縮壓和舒張壓的相對(duì)變化，通過(guò)計(jì)算可以獲得平均動(dòng)脈壓。在靜息狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)后，分別使用商用中心動(dòng)脈壓檢測(cè)儀和柔性超聲壓電換能器陣列測(cè)量頸動(dòng)脈血壓，兩種狀態(tài)下使用兩種方法測(cè)得的動(dòng)脈血壓曲線的平均相對(duì)誤差分別為3.83%和5.47%，驗(yàn)證了該柔性超聲壓電換能器陣列用于動(dòng)脈血壓波形測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、醫(yī)用價(jià)值豐富。
圖5 頸總動(dòng)脈圖與實(shí)驗(yàn)圖
圖6 靜息狀態(tài)下測(cè)量的血壓波形對(duì)比
圖7 運(yùn)動(dòng)后測(cè)量的血壓波形對(duì)比
圖8 柔性超聲壓電換能器陣列于不同時(shí)間的血壓測(cè)量結(jié)果
這項(xiàng)研究提出的基于柔性超聲換能器陣列的動(dòng)脈血壓監(jiān)測(cè)具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，例如它對(duì)運(yùn)動(dòng)不敏感，可以無(wú)創(chuàng)地、不閉塞地進(jìn)行血壓的連續(xù)檢測(cè)。未來(lái)，通過(guò)結(jié)合柔性超聲換能器陣列與無(wú)線通信技術(shù)，將進(jìn)一步提高設(shè)備的便攜性，從而在醫(yī)院和家庭環(huán)境中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。
論文信息：
DOI: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2311144
