研究背景
人體血管的動態變化蘊含豐富生理健康信息。深層動脈脈搏是診斷動脈硬化等心血管疾病的基礎，而淺層皮膚毛細血管網絡的灌注狀態則與外周動脈疾?。≒AD）等病理狀況密切相關。通過可穿戴設備同時監測深層和淺層血管網絡，可幫助醫療人員追蹤患者心血管疾病的病理變化，并為患者提供便捷的個人健康護理。近年來，可穿戴血管監測技術快速發展，但現有監測方法仍面臨挑戰：對于被動式傳感器，其感知模態較為單一，需要預壓力增強對脈搏波獲取的靈敏度，無法獲取自然狀態下的深/淺層血管特征信息；對于主動式傳感器，其結構復雜，易受界面偽影與接觸狀態影響。因此，開發一種能夠原位、非侵入、抗界面干擾、無感、連續監測多維血管動態特征的可穿戴設備具有重要科學意義和臨床價值。
為此，清華大學朱榮教授研究團隊提出一種基于主動熱滲透感知原理的柔性熱敏陣列傳感器，利用人體皮膚天然的壓熱轉換效應結合非接觸式微氣腔結構，實現對多維血管動態特征的高靈敏、高穩定性捕捉。利用該可穿戴傳感器系統，團隊成功實現對深層脈搏與淺層毛細血管灌注信號的頻率分離提取，進一步實現高保真脈搏時空映射及血流等信息監測。結合集成機器學習算法，團隊實現了基于多模態特征融合的無感連續血壓監測。該成果不僅突破了傳統可穿戴心血動力測量在精準性、時空維度、界面偽影上的局限，還通過多維信息的融合大幅提升了心血管健康評估的準確性。
創新點
本項目研制出一種多通道柔性熱敏陣列傳感器，通過人體皮膚壓熱效應和微氣腔設計實現傳感單元的非接觸式測量。傳感系統基于主動熱滲透感知原理，可穿戴于人體腕部，實現對深層動脈脈搏、淺層毛細血管灌注、血流相對速度、皮膚溫度的無感、連續同步追蹤；通過多維信息的融合，實現精準的無感連續血壓監測。
圖文導讀
圖1 柔性熱敏陣列傳感器進行深/淺層血管多維監測原理示意圖
該柔性熱敏陣列傳感器基于主動熱滲透感知原理。傳感器佩戴于人體腕部，利用傳感器背部的PDMS層阻隔外部環境影響，使傳感單元主要與皮膚組織進行熱交換。由于人體皮膚具有天然的壓熱轉換效應，深層動脈搏動引起的壓力變化和淺層毛細血管灌注引起的熱導率變化可被陣列中的熱膜單元靈敏捕捉。通過頻率分離，傳感器可同步解析出高頻的深層脈搏波形和低頻的淺層毛細血管灌注變化，并進一步通過對多陣列單元信號解算以獲取脈搏的脈寬、血流相對速度、皮膚溫度在內的多維生理信息。
圖2 柔性熱敏陣列傳感器對深/淺層血管動力檢測原理和傳感特性測試結果
研究團隊對結合微氣腔結構的熱敏傳感器特性進行了系統性研究，傳感器具有高靈敏、快響應，發現通過優化微氣腔結構設計可以增強傳感器的線性度與界面魯棒性，穿戴式傳感器在無感、無壓、非接觸條件下可以高保真地獲取脈搏波形。
基于惠斯通電橋電路和溫度補償算法，該傳感器壓力信號展現出優異的低溫漂特性，減少了皮膚溫度波動對脈搏信號監測的干擾。微型化設計的熱敏單元使傳感器在低功率下實現高靈敏并具有較低的單元間串擾，能夠清晰感知微弱血管搏動的空間分布。
圖3 利用柔性熱敏陣列傳感器實現血管搏動的時空監測
研究團隊利用傳感器的高靈敏和陣列化特性，無需施加預壓力即可獲取到自然狀態下動脈血管的時空映射。通過陣列信號分析，傳感系統可提取自然脈搏波的強度、脈寬及血管位置信息。利用該傳感系統，實現了對心血管特征指標測量、以及溫度-血管搏動幅度同步監測。進一步，利用穿戴系統可同步記錄中醫脈診中的寸關尺三部的脈搏波形，為傳統醫學診斷提供量化工具。
圖4 利用柔性熱敏陣列傳感器監測淺層毛細血管灌注和血流相對速度
除深層脈搏搏動監測外，柔性熱敏陣列傳感器還可靈敏捕捉淺層毛細血管的灌注變化。在皮膚觸摸實驗中，傳感器陣列成功識別了手指在皮膚表面書寫數字時引起的淺表灌注再分布。在袖帶阻斷反應性充血實驗中，傳感器同步監測深層血管血流速度與淺層皮膚溫度的動態變化，監測結果與激光多普勒血流儀（LDF）高度同步，驗證了其在評估血管內皮功能方面的應用潛力。
圖5 柔性熱敏陣列傳感器用于心血管評估的特征提取與多模態融合實現連續血壓監測
為實現更全面的心血管健康評估，研究團隊開發了基于XGBoost集成學習算法的監測系統。該系統從傳感器陣列信號中提取包括脈搏波形特征、深層血管空間特征和淺層灌注特征在內的三類特征，相比于僅依賴脈搏波形特征的單一模態方法，融合多模態血管信息可以有效提高連續血壓估計的準確性，為實現全周期的個人健康管理與臨床精準醫療提供新科學方法和技術基座。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5803
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