心血管疾病（CVD）是世界上主要的死亡原因，每年夺走约1790万人的生命。心血管疾病通常在进展过程中没有明显症状，但一旦出现症状，严重程度和致死率极高。因此，早期风险检测和诊断对于预防至关重要。为实现这些目标，在日常生活中对反映心血管功能的生理信号进行长期监测至关重要。
动脉压力脉搏波形的准确、无创和可穿戴测量对于心血管医疗保健至关重要，但由于缺乏有效的传感器和人体佩戴方法，仍然具有挑战性。
据麦姆斯咨询报道，近日，日本名古屋大学（Nagoya University）的研究人员介绍了一种高灵敏度的柔性锆钛酸铅（PZT）压电传感器和一种优化的人体佩戴方法，用于在自然手腕位置进行精确的桡动脉脉搏波形测量。该压电传感器采用了直接在柔性衬底上制造的PZT薄膜，具有易于生产的平行板电极，无需极化处理。高质量的PZT薄膜表现出低电荷泄漏，即使在1 Hz频率下也能进行测量。为了确保舒适性和准确性，使用泡沫垫以实现传感器的最佳佩戴，并研究其应力-应变特性对脉搏检测的影响。优化的压电传感器所采集的波形与高精度电容式力传感器的波形非常匹配。相关研究成果以“Wearable PZT Piezoelectric Sensor Device for Accurate Arterial Pressure Pulse Waveform Measurement”为题发表在Advanced Electronic Materials期刊上。
下图展示了所开发的可穿戴压电式压力传感器的整体布局、尺寸及柔韧性。采用无转移溶胶-凝胶法将具有高压电效应的钙钛矿Pb(Zr0.52Ti0.48)O3（PZT）薄膜直接沉积在云母衬底上的底部Pt电极上，然后将顶部Pt电极沉积在PZT膜上。该传感器元件最终被封装在两层聚酰亚胺薄膜之间，上面的薄膜上有两根铜线，分别连接到顶部和底部电极。如扫描电子显微镜（SEM）获得的横截面图像所示，云母衬底和PZT薄膜的厚度分别为20 µm和2.0 µm，这确保了传感器的柔韧性。该压电传感器无需极化处理即可使用。
可穿戴PZT压电传感器的制备与表征
为了确保准确的脉压波形测量，除了高灵敏度的PZT压电传感器外，佩戴和固定传感器的最佳方法也至关重要。这种方法必须保证：1）动脉压力波通过皮下、真皮和表皮有效地传播到压电传感器；2）由接收到的压力波引起的压电传感器弯曲变形最大化。为了同时满足这些要求，受传统中医脉诊的启发，研究人员提出通过软垫在传感器上施加预载（Preload），这样对传感器变形的阻碍最小。为了测量桡动脉压力脉搏波形，从上到下的佩戴和固定顺序依次为刚性基板、腕带、软垫和PZT传感器。请注意，刚性基板可以用包含显示器、电池和用于传感器信号处理和无线通信的集成电路的外壳代替。
传感器佩戴和固定方法
为了验证测量精度，研究人员使用其所开发的传感器和力分辨率为0.5 mN的高精度电容式力传感器同时测量了桡动脉压力脉搏波形。两个传感器测量的波形高度一致，相关系数为0.99。这证实了所开发的传感器与优化的佩戴和固定方法相结合，不仅提供了可穿戴设备所需的轻质和紧凑性，而且还提供了高精度。此外，与聚偏二氟乙烯（PVDF）传感器相比，所开发的PZT传感器虽然只有1/24的有效传感面积和1/4的预载，但其输出信号却是PVDF传感器的四倍。这证明了所开发的PZT传感器具有优异的灵敏度，这对于在用户舒适的预载下检测脉搏波形至关重要。
动脉压力脉搏波形测量的评估
最后，研究人员构建了一个基于深度学习的卷积神经网络（CNN）模型，无需预先校准，就能将传感器输出的电压信号转换为血压值。收缩压（SBP）和舒张压（DBP）换算的平均绝对误差（MAE）分别为5.82 mmHg和4.60 mmHg。因此，实现了免校准的连续血压波形测量，展示了这种传感器设备在日常生活中进行准确无创心血管健康监测的实际应用潜力。
使用深度学习将传感器输出信号免校准转换为血压值
总而言之，研究人员开发了一种高灵敏度的可穿戴PZT压电传感器，以及一种舒适且有效的佩戴和固定方法，从而能在手和手腕处于自然放松状态，并且无紧绷感的情况下，精确测量桡动脉压力脉搏波形。此外，研究人员还开发了一个深度学习模型，以实现传感器信号到血压的免校准转换，收缩压和舒张压的平均绝对误差分别为5.82 mmHg和4.60 mmHg。这些结果凸显了这项技术在日常生活中有效监测心血管的潜力。
展望未来，研究人员计划在更广泛的不同年龄人群中进行大规模验证和数据收集，以增强模型的稳健性及其在不同人群中的适用性。此外，还将对动脉搏动引起的传感器输出进行有限元分析，以指导可穿戴设备的优化设计。未来的工作将探索减少运动伪影的方法，以便在身体活动期间进行可靠的脉搏波测量。这些努力有望进一步提高所开发技术的实用性。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400852
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