心血管疾病是全世界人類生命健康的頭號(hào)威脅。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，全世界每年有超過1790萬人死于心血管疾病。為了對(duì)心血管疾病開展健康預(yù)警和精準(zhǔn)診療，血壓、心率、外周阻力、血管彈性等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。可穿戴柔性器件具有類皮膚的力學(xué)特性、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的工作能力以及高信噪比的傳感性能，適合用于心電圖、血氧、脈搏等心血管相關(guān)生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)。然而，人體的心血管系統(tǒng)是復(fù)雜且呈網(wǎng)絡(luò)循環(huán)分布的，現(xiàn)有的可穿戴柔性器件往往僅評(píng)估心血管系統(tǒng)整體的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，無法精準(zhǔn)反應(yīng)局部血管的健康狀態(tài)。為了滿足在臨床診療和日常健康管理方面日益增長的需求，一種精準(zhǔn)的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)是人們夢(mèng)寐以求的。

以光纖布拉格光柵（FBG）為代表的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)非常適合應(yīng)用于時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，其分布式多通道的傳感能力、傳感節(jié)點(diǎn)間極佳的時(shí)間同步性和對(duì)電磁干擾的免疫為高信噪比多生理信號(hào)的檢測(cè)打下基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)的石英材質(zhì)光纖和人體皮膚相比具有力學(xué)特性上的巨大差異，且對(duì)人體微弱力學(xué)生理信號(hào)靈敏度低。使用彈性體材料的柔性封裝技術(shù)能夠一定程度上緩解力學(xué)失配，但過厚的封裝會(huì)進(jìn)一步降低FBG傳感器的力學(xué)響應(yīng)。基于微光纖的光子皮膚具有極佳的柔性、易構(gòu)型性和疏逝場(chǎng)帶來的優(yōu)越的靈敏度，近年來成為柔性器件領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。但現(xiàn)有的微光纖光子皮膚缺乏波長編碼策略，不具備時(shí)間同步的多通道多參量傳感能力。

近日，南京大學(xué)徐飛教授、陳燁研究員、陸延青教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京鼓樓醫(yī)院徐標(biāo)主任醫(yī)師、戴慶主治醫(yī)師團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述難點(diǎn)提出了一種基于類皮膚微光纖光柵組的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)使用微光纖搭配百微米厚的超薄柔性封裝技術(shù)制備微光纖皮膚貼片，通過有效降低器件等效模量和微光纖橫截面積將傳感器對(duì)微小應(yīng)力的響應(yīng)提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)（面對(duì)50 mN以內(nèi)的壓力，靈敏度為5.26 nm/N），且在10，000次壓力作用下呈現(xiàn)出良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。此外，該技術(shù)利用飛秒激光直寫技術(shù)無創(chuàng)地將光柵刻至微光纖的內(nèi)部，為多個(gè)微光纖皮膚貼片提供不同的波長編碼，賦予其多通道同步傳感能力。通過將微光纖光柵皮膚貼片串聯(lián)成組，人體各節(jié)點(diǎn)多生理信號(hào)能夠被同時(shí)感知并通過不同的工作波長被分辨。由于以光為載體的生理信號(hào)在微光纖光柵組中以接近光速傳播，因此人體多節(jié)點(diǎn)生理信號(hào)的時(shí)間同步性僅受限于光纖光柵解調(diào)設(shè)備。通過檢測(cè)微光纖光柵組人體心血管系統(tǒng)中近端心沖擊信號(hào)和遠(yuǎn)端各淺表動(dòng)脈處的脈搏波，進(jìn)而計(jì)算脈搏波傳播時(shí)間（PTT），構(gòu)建了時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

圖1 類皮膚微光纖光柵貼片

通過檢測(cè)心血管系統(tǒng)近遠(yuǎn)端的機(jī)械信號(hào)（而非電生理活動(dòng)信號(hào)），該監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠呈現(xiàn)全身心血管系統(tǒng)心臟搏動(dòng)、血管擴(kuò)張、脈搏波傳播的真實(shí)的全力學(xué)過程。該研究提出了三種血流動(dòng)力學(xué)檢測(cè)工作模式。首先，頸動(dòng)脈、橈動(dòng)脈、足背動(dòng)脈等人體不同淺表動(dòng)脈位置處的脈搏波被采集，并配合心沖擊信號(hào)分析出脈搏波沿三條不同動(dòng)脈支路的PTT，不同的PTT來源于血管長度、直徑、彈性模量的差異，該工作模式可以實(shí)現(xiàn)心血管系統(tǒng)中局部動(dòng)脈支路的健康評(píng)估。其次，微光纖光柵組動(dòng)態(tài)記錄了受試者在運(yùn)動(dòng)和靜息兩種狀態(tài)切換過程中的雙路生理信號(hào)，通過心動(dòng)周期計(jì)算實(shí)時(shí)心率，計(jì)算得的脈搏波傳播速度變化反映血壓的變化。此外，微光纖光柵組動(dòng)態(tài)記錄了動(dòng)脈在受迫過程中的雙路生理信號(hào)，PTT的變化能夠高靈敏地反映出相應(yīng)動(dòng)脈外周阻力的不同程度，首次提出了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的局部血管外周阻力監(jiān)測(cè)方案。

圖2 可配置的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)

該研究充分發(fā)展了基于微光纖光柵組的多通道同步傳感技術(shù)，該技術(shù)具有時(shí)間動(dòng)態(tài)、空間分布、易組網(wǎng)可配置、高靈敏度、高柔性的顯著優(yōu)勢(shì)。所提出的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地評(píng)估全身心血管系統(tǒng)中局部血管健康狀態(tài)的工作能力，在血栓、血管硬化、高血壓等心血管疾病的精準(zhǔn)診療、快速早篩、健康預(yù)警等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1401103），國家自然科學(xué)基金（61925502， 51772145）支持。研究成果以“Spatiotemporal hemodynamic monitoring via configurable skin-like microfiber Bragg grating group”為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances期刊上。

論文信息：

DOI： 10.29026/oea.2023.230018