作为重要的生命体征之一，血压是评估心血管疾病风险的关键指标。中心动脉压与靶器官损害和心血管疾病有密切的病理生理联系，动脉血压监测对心脑血管事件有较高的预测价值，可为人体心脏机能、动脉弹性表征等临床诊断提供依据。近年来，随着柔性电子技术的快速发展，柔性电子器件的材料、设计和制造工艺都取得了巨大进展。一些柔性电子设备已用于辅助治疗和生命体征测量。将超声检测与柔性电子设备相结合，形成可穿戴式血压检测设备，可以实现长期的血压测量。
据麦姆斯咨询报道，针对血压监测应用，天津大学、宾夕法尼亚州立大学的研究团队设计了一种具有高穿透性的小型柔性压电超声换能器阵列。相比于传统的刚性超声探头，这项研究提出的柔性压电超声换能器阵列具有柔性、可贴合人体颈部的特点。它通过发射超声波动态检测人体主动脉血管壁并获得关于血管直径的时域信息，根据血压和血管直径之间的关系模型可以得到主动脉血压波形。这项研究为连续无创监测中心主动脉血压提供了可行之路。相关研究成果以“用于动脉血压监测的柔性超声换能器阵列”为题发表在《仪器仪表学报》期刊上。
在这项研究工作中，研究人员使用PZT-5H材料制作了两种中心频率分别为2.5 MHz和4.5 MHz的柔性超声压电换能器阵列。换能器为1 × 16线性阵列，阵元尺寸为0.8 mm × 13 mm，阵元中心间距为1 mm。换能器阵列的柔性基底和柔性电极设计，使其能够贴合在形状不规则的人体颈部皮肤，并进行颈动脉血压的连续监测。通过相控阵电子聚焦发射技术，实现了超声波束的能量汇聚和波束偏转，进而可以探测人体内部结构和特性。
图1 柔性超声压电换能器单个阵元的结构
图2 柔性超声压电换能器阵列实物图
研究人员将两种柔性超声压电换能器阵列在仿组织超声体模上进行了B超声成像测试，B超图像显示中心频率为2.5 MHz的线阵可实现90 mm的穿透深度，中心频率为4.5 MHz的线阵可实现40 mm的穿透深度。
图3 KS107BD(L)型仿组织超声体模
图4 柔性超声压电换能器阵列B超成像
任何影响心输出量和外周血管阻力的因素都会影响动脉血压，例如每搏输出量、外周血管阻力、大动脉壁弹性和循环血量等，因此，血压一直处于波动状态。反之，动脉血压波形可以反映心脏的功能以及大动脉的机械特性和外周阻力情况。利用柔性超声压电换能器进行日常血压监测可以及时发现身体中存在的危险因素。
该柔性超声压电换能器阵列探测血压时可以提供收缩压和舒张压的相对变化，通过计算可以获得平均动脉压。在静息状态和运动后，分别使用商用中心动脉压检测仪和柔性超声压电换能器阵列测量颈动脉血压，两种状态下使用两种方法测得的动脉血压曲线的平均相对误差分别为3.83%和5.47%，验证了该柔性超声压电换能器阵列用于动脉血压波形测量结果准确、医用价值丰富。
图5 颈总动脉图与实验图
图6 静息状态下测量的血压波形对比
图7 运动后测量的血压波形对比
图8 柔性超声压电换能器阵列于不同时间的血压测量结果
这项研究提出的基于柔性超声换能器阵列的动脉血压监测具有优于现有技术的优点，例如它对运动不敏感，可以无创地、不闭塞地进行血压的连续检测。未来，通过结合柔性超声换能器阵列与无线通信技术，将进一步提高设备的便携性，从而在医院和家庭环境中展现出巨大应用潜力。
论文信息：
DOI: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2311144
