超聲儀器「戴上」手指，華人科學家發明首個中心血壓無創測量設備

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據世界衛生組織，全世界每 5 個成年人中就有一例高血壓，高血壓所導致的死亡人數約佔中風和心臟病死亡人數的一半，全球每年由高血壓併發症導致的死亡為 940 萬例。但臨床中常規檢測的收縮壓和舒張壓難以反映整個心血管系統的血壓水平。外周血壓容易受動脈硬度影響，而動脈硬度個體差異很大。並且，降壓藥物對中心和邊緣動脈血壓的影響有所不同。因此，傳統的外周血壓測量難以反映最真實的心血管情況。

人體中心血壓波形，即測量於頸動脈或主動脈的血壓波形的變化包含著最為準確動態心血管狀態信息, 且對於心血管疾病的預測和治療具有最重要的臨床價值。而現存的非侵入式血壓測量方法僅能對淺表（埋深小於 5 毫米）外周脈管系統血壓進行測量，無法測量深埋於組織處（埋深大於 3 厘米）的中心動靜脈血壓。

圖 | 超薄高貼合性的用於人體深度組織持續性監測的超聲感測器（來源：Nature Biomedical Engineering）

為解決中心動脈血壓波形的測量難題，來自加州大學聖迭戈分校（University of California, San Diego）徐升教授（通訊作者）和研究生王沖和設計了一種全新的柔性超聲感測器，同時具備無損無輻射、高組織穿透力及皮膚貼合性。這一設計將醫用大型超聲儀器轉化為與皮膚性質類似的可穿戴感測器，極好的解決了這個問題，是第一個可以無創測量中心血壓的可穿戴感測器。研究成果於 2018 年 9 月 11 日以封面文章形式在 Nature Biomedical Engineering雜誌發表。其他主要作者包括：李驍時，胡鴻傑，張麟，黃振龍，林沐陽，張倬瑞等。

論文作者王沖和表示，「傳統的可穿戴電子如應力、溫度、光、電化學感測器只能測量表皮或淺層組織（小於 3 mm）。然而，絕大多數重要的生理信號都深埋於組織深處，難以被可穿戴感測器提取。這也是植入性電子設備存在的意義。但是這項工作把可穿戴感測器和超聲技術結合，就可以兼具可穿戴性及高組織穿透力，實現人體深度組織無損長期監測。這給如今的可穿戴電子設備的探測範圍增加了一個新的探測維度，即深度方向。」

論文的通訊作者徐升在 9 月 2 日舉辦的科學 x 技術 x 產業鴻繹智庫科創專家交流會中也有初步透露這項研究的研究方向與成果可能性。

圖 | 論文通訊作者徐升（左）和第一作者王沖和（右）（來源：王沖和）

圖 | 徐升在鴻繹智庫科創專家交流會講話（來源：DT 君）

超聲波是一種高頻機械波，對人體組織具有極強的穿透力而無損無輻射，因此非常廣泛地被用於影像學診斷。目前世界上所有醫用超聲感測器都僅限於長柄，硬質探頭，普遍厚度超過 10 厘米，因此測量時必須由專業醫師穩定地手持探頭，這給持續長期性監測人體組織深處的生理信號帶來困難。而且，醫用超聲探頭的測量效果極其依賴於使用者的測量經驗，操作困難。

基於這個挑戰，課題組精簡了現有超聲探頭的結構，將原來 10 厘米厚的探頭縮減 3 個數量級，最終厚度為 240 微米。陣元之間採用可拉伸導線連接，器件整體才用與皮膚柔軟程度接近的柔性聚合物封裝。通過轉化，傳統的超聲探頭變為一種高貼合度可拉伸的表皮電子器件，可穿戴性大大增強。

柔性可拉伸的類膚感測器 (Stretchable electronics/Epidermal electronics) 技術作為一種平台技術，與傳統醫用超聲技術相結合，有望將龐大的超聲影像設備微縮為可穿戴的消費電子產品，為家庭醫療檢測和日常診斷提供一種全新的方法。這樣的發明顯著提升傳統超聲設備的便攜性，大大降低了醫療成本。同時，結合心電信號的測量結果，感測器可以計算脈搏波波速，進而對被測者的動脈硬化情況進行分析，進一步對被測者的心血管健康狀況進行持續性評估。

圖 | 基於柔性超聲感測器的血壓測量原理（來源：Nature Biomedical Engineering）

動脈血壓波形中的每個峰值和谷值代表特定的左心活動。同樣，靜脈血壓波形的特徵形態與相關的右心活動密切相關。因此，持續監測這些信號的細微變化可以為心血管疾病的診斷和預防提供重要參考。

而目前，中心血壓還「只能通過動脈靜脈導管有創測量，但是這種方法只限於手術中或短期術後觀察的 ICU 病人，因為創傷面積大，而且易引發感染，不能長期監測。「王沖和說。

柔性超聲感測器與皮膚表面貼合，能夠在深埋的動脈和靜脈部位捕獲血壓波形。感測器厚度僅為 240 微米，可拉伸性高達 60％。相比於傳統超聲探頭尺寸極大程度上縮小，同時超薄的感測器與皮膚表面貼合，提供了穩定的聲場耦合界面，避免了對使用者測量經驗的要求。

感測器可以從體表多個位置進行非侵入式，連續，準確的心血管系統監測，包括頸動脈，肱動脈，足背動脈等。與醫學領域內的中心血壓黃金測量方法——心導管術（將壓力感測器植入相關的脈管系統進行測量）相比，柔性可穿戴的超聲感測器極大減輕了患者的痛苦並避免了感染風險。適於在各種臨床環境和日常家庭醫療場景中使用。

圖 | 柔性超聲器件形變與拉伸（來源：Nature Biomedical Engineering）

通過同步感測器測量的血壓波形和心電波形（ECG），可以進一步計算出脈搏波波速（PWV）。由於 PWV 與動脈僵硬度具有正相關性，所以 PWV 可以作為動脈硬化以及高血壓的強預測因子。通過測量血壓波形和 PWV 數值，可穿戴式柔性感測器可以對高血壓以及心血管疾病患者進行全面的診斷和監護。

王沖和表示，除傳統醫用血壓監測之外，未來在柔性超聲感測器平台上將會集成更多傳統醫用超聲設備的功能。柔性感測器也將憑藉其超薄，可拉伸和高穿戴性的特點，作為一種全新的感測平台，為醫療電子和消費電子的結合創造更多機會。

論文作者王沖和對 DT 君說，「今後，我們還會繼續開發基於人體深層組織信號的感測器。在未來，我們會結合更先進的超聲技術，擴大探測範圍。比如結合相控陣技術，實現超聲聲束任意偏轉聚焦，在組織層面實現動態掃描，監測任何目標位置區域的信號，實現更高端的醫療應用。」

圖 | 結合心電圖 (ECG) 的脈搏波速度 (PWV) 測量與動脈硬化分析（來源：Nature Biomedical Engineering）