高血壓是引發(fā)心臟病、中風(fēng)等心血管疾病的主要風(fēng)險因素，但長期、頻繁地準(zhǔn)確監(jiān)測血壓并不容易。目前，一些商用智能手表提供的持續(xù)血壓監(jiān)測功能，大多是通過光電容積描記法（PPG）來估算血壓。它利用表背部的LED燈照射皮膚下的血管，通過檢測血液流動導(dǎo)致的光線吸收變化來獲取脈搏波信號。血壓值通常是通過分析脈搏波形態(tài)特征，并結(jié)合一個由傳統(tǒng)袖帶血壓計校準(zhǔn)的算法模型推算出來的。這是一種間接的、基于模型估算的方法。
然而，PPG技術(shù)的穿透深度有限，難以探測到較深的動脈（如肱動脈），且其準(zhǔn)確性容易受到運(yùn)動、環(huán)境光線以及佩戴松緊程度的影響，因此通常用于日常健康趨勢參考，而非臨床診斷。
近期，一項發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊的最新研究提出了一種不同的血壓監(jiān)測技術(shù)路徑。該研究介紹了一種基于微型超聲傳感器的可植入式血壓監(jiān)測系統(tǒng)，在活體羊體內(nèi)實現(xiàn)了皮下、連續(xù)且準(zhǔn)確的血壓監(jiān)測。研究人員來自美國加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)圣地亞哥分校以及浙江大學(xué)。
這項技術(shù)的核心是一種基于氮化鋁（AlN）的壓電MEMS超聲換能器（PMUT）。研究團(tuán)隊設(shè)計并制造了一個尺寸僅為5毫米 x 5毫米的微型傳感器芯片，其上集成了由37 x 45個單元組成的PMUT陣列。
圖1 使用PMUT對活動綿羊進(jìn)行皮下連續(xù)血壓監(jiān)測的示意圖和原理。a：PMUT器件被植入綿羊股動脈附近的皮下，發(fā)射超聲波并收集由于血液和動脈組織之間巨大的聲阻抗失配而產(chǎn)生的動脈前后壁界面的主要回波。b：捕獲來自前后壁的回波，以估計因血壓變化引起的股動脈直徑變化。c：提取的直徑變化被用來推導(dǎo)血壓波形。
與基于光學(xué)原理的PPG技術(shù)不同，該系統(tǒng)通過發(fā)射超聲波并接收血管前后壁的反射回波，直接測量動脈直徑的實時變化。由于血液與血管組織之間存在顯著的聲阻抗差異，系統(tǒng)能夠精確捕捉到兩個主要回波之間的時間間隔，據(jù)此計算動脈直徑，再根據(jù)血管力學(xué)模型推導(dǎo)出準(zhǔn)確的血壓值。這是一種基于物理模型的、與生理參數(shù)關(guān)聯(lián)更緊密的測量方法。
圖2 PMUT器件設(shè)計與表征
該研究還通過仿真分析了傳感器與血管錯位對測量的影響。結(jié)果顯示，1毫米的錯位會使信號強(qiáng)度降低約60%，2毫米錯位會使信號強(qiáng)度降至約10%。這表明保持傳感器與血管的穩(wěn)定對準(zhǔn)對測量準(zhǔn)確性很重要，而皮下植入恰能較好地解決這一問題。
在體外實驗中，研究人員使用尺寸與肱動脈相似的硅膠管模擬血管，成功驗證了通過超聲波測量管徑變化來反推內(nèi)部壓力的可行性，兩者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。
在制造工藝方面，研究團(tuán)隊優(yōu)化了深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）工藝，成功制備了半徑為29微米的振膜結(jié)構(gòu)。測試數(shù)據(jù)顯示，PMUT單元在水中的共振頻率為6.5 MHz，在10毫米距離處能產(chǎn)生28 kPa的聲壓。
圖3 使用PMUT進(jìn)行體外壓力監(jiān)測。此圖記錄了在實驗室環(huán)境下，使用模擬血管（硅膠管）驗證PMUT系統(tǒng)通過測量直徑變化來監(jiān)測壓力變化的可行性和準(zhǔn)確性。
在動物實驗中，研究人員將傳感器皮下植入一只綿羊的股動脈附近，驗證其在"非臥床"條件下的應(yīng)用潛力。實驗結(jié)果與植入同側(cè)動脈的"金標(biāo)準(zhǔn)"導(dǎo)管壓力傳感器進(jìn)行對比。數(shù)據(jù)顯示，PMUT傳感器測得的血壓波形清晰地包含了重搏切跡等細(xì)微特征，其收縮壓和舒張壓的平均測量誤差分別為-1.2 ± 2.1 mmHg和-2.9 ± 1.4 mmHg，達(dá)到了臨床認(rèn)可的精度標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 PMUT器件在成年綿羊中可能的錯位影響及實驗設(shè)置。此圖首先通過模擬和量化分析強(qiáng)調(diào)了傳感器-血管錯位的嚴(yán)重影響，然后詳細(xì)展示了在活體羊身上進(jìn)行實驗的植入手術(shù)過程、參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置以及植入位置的驗證。
這項研究表明，基于PMUT的皮下植入式傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)長期、連續(xù)、高精度的血壓監(jiān)測。研究人員指出，未來可以進(jìn)一步研究波束成形等技術(shù)來解決傳感器錯位問題，并探索該技術(shù)在慢性病管理中的應(yīng)用潛力。
