心血管疾?。–VD）因具有高發(fā)病率、高隱蔽性、高致殘率及致死率等特點，已成為全球人口死亡的“頭號殺手”。 據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）預測，全球每年約有1700萬人（占死亡人數(shù)的31%）死于心血管疾病，包括高血壓、缺血性心臟病、充血性心力衰竭、心律失常和冠狀動脈粥樣硬化性心臟病。近年來，醫(yī)學研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)心血管疾病可通過關鍵心血管參數(shù)的連續(xù)、實時和長期監(jiān)測得到早期預警和及時診斷，從而有效降低致死致殘率。然而，目前臨床用心電圖、核磁共振等檢測技術由于存在設備體積大、專業(yè)依賴性強、便攜性差等問題，難以滿足心血管疾病預警和即時診斷（POCT）的迫切需求。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，為解決上述問題，西安交通大學蔣莊德院士與呂毅教授團隊研發(fā)了一種皮膚自適應聚焦的柔性MEMS超聲換能器陣列，可共形貼附于人體皮膚表面以實現(xiàn)血壓、心率、血管剛度等血流多參數(shù)的非侵入實時、連續(xù)監(jiān)測，為心血管疾病的日常監(jiān)測與早期預警提供了新技術、新希望。該研究提出了一種皮膚自適應聚焦超聲（Skin-Adaptive Focused Ultrasound, SAFU）血流多參數(shù)測量方法，利用全陣元同相位激勵超聲和皮膚固有的曲率特性實現(xiàn)陣列發(fā)射超聲波束的聚焦，形成“橄欖球狀”聲束，并基于皮膚曲率與皮下血管深度和尺寸的內(nèi)在關系實現(xiàn)聚焦聲束自適應調(diào)節(jié)。
通過合理的陣列結構參數(shù)設計，該柔性MEMS超聲換能器陣列的聚焦聲束深度和寬度范圍可隨皮膚表面曲率變化：波束寬度變化范圍為2.1~4.6 mm；穿透深度變化范圍為3.3~53 mm，有效覆蓋指端動脈、橈動脈、肱動脈和頸動脈等人體典型動脈血管區(qū)域，可實現(xiàn)高精度、高信噪比、寬深度范圍血流參數(shù)監(jiān)測。該SAFU技術可以大幅簡化相控陣檢測技術面臨的超聲換能器結構與控制電路系統(tǒng)的復雜性，并提高可靠性；相較于單陣元檢測方法，該SAFU技術的聲壓提高10.8倍、信噪比提高19.5 dB，兼顧了結構和性能優(yōu)勢，為基于超聲飛行時間法（ToF）的生理參數(shù)檢測應用提供了理想途徑（圖1）。
圖1 皮膚自適應聚焦超聲檢測技術：（A）自粘附柔性MEMS超聲換能器陣列結構設計及檢測原理示意圖；（B）聚焦聲場中波束范圍隨皮膚曲率變化；（C）皮膚自適應聚焦聲壓提升效果；（D）皮膚曲率變化對波束血管覆蓋特性的影響。
針對柔性超聲換能器陣列制備中存在器件一致性差、批量化加工困難等技術瓶頸，研究團隊提出了一種基于磁控濺射制備金屬電極、飛秒激光刻蝕圖案化壓電單元以及蛇形電連接等工藝的MEMS兼容柔性超聲換能器陣列制備技術，該工藝可避免現(xiàn)有制備技術中的大量人工操作環(huán)節(jié)，顯著提升超聲換能器結構和性能的一致性，并實現(xiàn)批量化與低成本制造。此外，通過UV紫外光原位固化方法制備自粘附水凝膠層，增強了超聲換能器陣列與皮膚界面的聲阻抗匹配性、生物相容性和粘附可靠性。
本項研究所制備的6×6柔性超聲換能器陣列中心頻率為2.4 MHz，各通道諧振頻率標準差小于1.0%，發(fā)射靈敏度達2.2 kPa/V，穿透組織深度大于30 mm，表現(xiàn)出優(yōu)異的加工一致性與聲學性能，為柔性MEMS超聲換能器的一致性、批量化制備提供了一種具有前景的技術路徑（圖2）。
圖2 MEMS工藝兼容的柔性超聲換能器陣列制備技術：（A）柔性超聲換能器陣列加工工藝流程；（B）所制備柔性超聲換能器陣列及其彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)變形；（C）柔性超聲換能器陣列性能測試。
在此基礎上，研究團隊采用SAFU換能器陣列成功實現(xiàn)指端動脈、橈動脈、肱動脈和頸動脈等人體不同深度位置動脈血壓波形（收縮壓、舒張壓及微小波形特征）的實時、連續(xù)監(jiān)測，并完成24小時連續(xù)血壓波形監(jiān)測，收縮壓與舒張壓誤差分別為1.8 mmHg和1.1 mmHg，測量不確定度優(yōu)于±2.99 mmHg，測量范圍為10~350 mmHg，性能與商用血壓計相當，為心肌缺血與腦卒中等疾病的預防提供了技術支撐（圖3）。
圖3 基于柔性MEMS超聲換能器的血壓監(jiān)測應用：（A）多部位連續(xù)血壓波形檢測；（B）24小時連續(xù)血壓監(jiān)測。
該SAFU換能器陣列還實現(xiàn)了運動過程中血壓與心率的同步高精度監(jiān)測與動態(tài)評估（心率檢測誤差優(yōu)于±2 bpm），聯(lián)合反向休克指數(shù)（Reverse Shock Index, RSI）準確反映了運動員與普通受試者間的心功能差異，可用于診斷靜息狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的心律失常、隱匿性高血壓和房顫等心血管疾病（圖4）。
圖4 基于柔性MEMS超聲換能器的動態(tài)血壓和心率聯(lián)合監(jiān)測應用：（A）多類運動形式示意圖；（B）運動過程連續(xù)血壓心率監(jiān)測；（C）RSI綜合評估。
此外，研究團隊還對23~71歲的不同年齡段受試者及高血壓患者進行了血管僵硬度測試，獲得了動脈剛度指數(shù)（Beta Index, β）及脈搏波速（Pulse Wave Velocity, PWV），能夠有效區(qū)分健康受試者、高血壓患者及不同年齡段人群之間固有的血管剛度差異，測試結果得到了臨床驗證，與臨床設備（動脈硬化檢測儀、彩超）相比，動脈僵硬度評估誤差小于25%（圖5）。
圖5 基于柔性MEMS超聲換能器的動脈僵硬度臨床檢測應用：（A）多受試者β及PWV測試結果；（B）老年人與年輕人血管僵硬度臨床檢測與驗證。
綜上所述，該研究團隊開發(fā)的自粘性、皮膚自適應聚焦的柔性MEMS超聲換能器陣列具有輕、薄、生物相容性好、高靈敏、制造工藝一致性好等綜合優(yōu)點，可實現(xiàn)寬深度范圍動脈血流動力學參數(shù)的非侵入、無感、無創(chuàng)實時連續(xù)長期監(jiān)測，相較于現(xiàn)有光學容積法、示波法等，其在抗干擾性、舒適性和精確性等方面更具優(yōu)勢。展望未來，在集成信號處理和無線傳輸電路、自供能模塊之后，可以做成超聲手環(huán)或貼片，為日常心血管疾病監(jiān)測及早期預警提供了一項具有廣闊應用前景的變革性技術。
該研究成果以“Skin-Adaptive-Focused Flexible Micromachined Ultrasound Transducers for Wearable Cardiovascular Health Monitoring”為題近日在Science子刊Science Advances《科學進展》上在線發(fā)表。西安交通大學博士生袁佳煒為論文第一作者，儀器科學與技術學院李支康副教授為論文共同第一作者及通訊作者，儀器科學與技術學院趙立波教授及西安交通大學第一附屬醫(yī)院吳榮謙教授為共同通訊作者。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7632
