動脈硬化是一種常見的、危害性極大的慢性心血管疾病，是引起中風與心肌梗塞的重要因素。在臨床上，通常可以通過對脈搏波傳導速度（PWV）的測試來對動脈硬化進行評估與診斷。這種方式一般需要在動脈的兩個不同位置進行脈搏檢測，通過計算兩個位置脈搏的路程差與時間差得到PWV。然而，這種檢測方法依賴于昂貴且體積龐大的檢測設備，難以適用于動脈硬化的日常監(jiān)測。此外，目前基于光電容積法的脈搏檢測方法易于受到運動與自然光的干擾。因此，開發(fā)一種非侵入式的，并對動脈硬化進行連續(xù)準確監(jiān)測的可穿戴設備，可以為心血管疾病的預防與治療提供一種有效的解決方案。

近日，南方科技大學的郭傳飛課題組與南方科技大學醫(yī)院、深圳技術大學等單位合作，研發(fā)了一種基于指尖單點脈搏檢測的動脈硬化診斷系統。研究者用高精度的3D打印技術制造了一種可線性響應的離子凝膠微結構，并將其用于離電型壓力傳感器。該微結構，采用摩方精密2μm精度的nanoArch S130 打印的模具經PDMS翻模澆注離子凝膠制備而成，模具中的凹槽長度大約150μm，類花生殼柱體高度約100μm左右，最大直徑60μm左右。這種結構可以實現傳感器0~150 kPa范圍內的線性壓力-電容響應，因此避免了不同預壓力下器件傳感性能的差異，保證了脈搏檢測的穩(wěn)定性與可靠性。此外，該傳感器也有著較高的靈敏度（1.2 kPa-1）與壓力分辨率（<1Pa），滿足指尖處微弱的脈搏檢測需求。相比于腕部脈搏測試，指尖脈搏測試中指腹處皮膚無自主運動，有效抑制了運動偽影，在測試者正?；顒酉聦崿F了長達5小時的連續(xù)穩(wěn)定脈搏監(jiān)測。這種指尖脈搏波可以通過Hiroshi法計算出心臟-指尖脈搏波傳導速度（hfPWV）。

研究者通過線性擬合，發(fā)現hfPWV與臨床應用的臂踝脈搏波速度有著很強的相關性（r=0.857），因此可以進一步結合年齡實現對測試者動脈硬化狀況的評估與診斷。基于hfPWV的動脈硬化診斷模型，在對不同程度心血管疾病就診患者的檢測中達到了近90%的準確率，體現了這一方法優(yōu)異的可靠性與普適性，從而為動脈硬化的連續(xù)監(jiān)測與評估提供了一種低成本的策略。

相關成果以“Arteriosclerosis Assessment Based on Single-Point Fingertip Pulse Monitoring Using a Wearable Iontronic Sensor"為題發(fā)表于國際期刊《Advanced Healthcare Materials》上，也得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目的支持。

圖1. 單點法脈搏波傳導速度測試的機理。（a）hfPWV測試機理示意圖。（b）典型的指尖脈搏波與相應的加速脈搏波。（c）傳統兩點法baPWV測試的機理。

圖2. 高性能離電傳感器的工作原理與性能。（a）具有線性響應的微結構、凸起-平面結構、半球結構在壓力下的變形行為與應力分布的力學模擬。（b）三種結構在壓力下接觸面積變化的力學模擬。（c）具有線性響應的微結構的表面形貌圖。（d）離電傳感器電容隨壓力的變化。（e）不同預壓力下傳感器對小壓力的分辨率。（f）響應時間。（g）傳感器在20 kPa壓力下10000次循環(huán)測試性能。

圖3. 離電傳感器對指尖脈搏的檢測性能。（a）手腕關節(jié)運動過程中橈動脈脈搏的記錄。（b）手指彎曲過程中指尖脈搏的記錄。（c）自然狀態(tài)下傳感器對測試者1個小時的脈搏記錄。（d）一位25歲男性測試者在不同預壓力下脈搏主波（沖擊波）的強度。（e）傳感器對不同年齡健康測試者典型脈搏的記錄。（f）測試者潮波高度隨年齡的變化。

圖4. 通過指尖脈搏波測試實現hfPWV的獲取。（a）hfPWV隨年齡的變化趨勢。（b）hfPWV與心臟-指尖脈搏波傳導時間（hfPTT）在運動前后發(fā)生的變化。（c）對一位25歲測試者進行5小時連續(xù)脈搏監(jiān)測過程中hfPWV與hfPTT的變化趨勢。（d）3位年齡近似（50歲左右），動脈硬化狀況不同（從左到右逐漸嚴重）的測試者的脈搏波與加速脈搏波（APW）。（e）通過計算得到的（d）圖中3位測試者的hfPWV。

圖5. hfPWV在動脈硬化評估診斷中的應用。（a）動脈硬化的4種不同程度，從i到iv逐漸嚴重。（b）通過baPWV與年齡劃分的41位測試者的動脈硬化程度。（c）hfPWV與baPWV的線性擬合。將hfPWV線性轉換為baPWV’后，對41位測試者baPWV與baPWV’的一致性評價。（e）41位測試者baPWV與hfPWV的偏差。（f）從基于baPWV對動脈硬化評價標準到基于hfPWV的評價標準的轉換流程。（g）基于hfPWV標準的41位測試者的動脈硬化程度。（h）采用hfPWV標準后對9位新測試者的動脈硬化程度的評判。（i）采用baPWV與hfPWV標準下對9位新測試者動脈硬化程度評估的比較。