心血管疾?。–ardiovascular diseases，簡稱CVDs），如冠狀動脈疾病、中風(fēng)、心力衰竭、高血壓和心律失常等，已成為全球領(lǐng)先的死亡原因。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，每年約有1790萬人因CVDs死亡，占全球死亡總數(shù)的約31%。隨著全球老齡化問題日益嚴(yán)重，CVDs的死亡率預(yù)計會繼續(xù)上升。不良的生活方式是主要誘因之一，如高鹽高脂飲食、缺乏體育鍛煉、吸煙和過度飲酒。此外，高血壓、高血脂、糖尿病等慢性疾病也是心血管病發(fā)生的重要風(fēng)險因素。定期的風(fēng)險篩查可顯著降低心血管疾病的發(fā)病率，精確的心血管檢查可以有效地促進(jìn)心血管疾病的治療。目前，血壓、心電圖（ECG）、超聲心動圖和心外膜監(jiān)測是用于篩查CVDs的主要方法。然而，用于這些檢測的傳統(tǒng)醫(yī)療器械通常面臨體積龐大、難以攜帶、功能單一、操作繁瑣等問題。

柔性電子技術(shù)的出現(xiàn)為上述問題提供了全新的解決方式。不同于傳統(tǒng)的硅基剛性電子受制于摩爾定律，柔性電子具有輕、薄、柔、小等特性，能夠適形于復(fù)雜表面，既可以貼在皮膚上（表皮電子），又能夠與衣服結(jié)合（織物電子），甚至可以植入到人體內(nèi)（可植入電子）。柔性電子具備無創(chuàng)、連續(xù)、原位、實時和舒適監(jiān)測關(guān)鍵生理信號的能力，在跟蹤和監(jiān)測代謝紊亂、心血管問題、糖尿病等慢性癥狀方面尤為突出。通過對血壓、心電圖、超聲心動圖和心外膜等生理信號的持續(xù)有效監(jiān)測，柔性電子可以檢測CVDs的早期指標(biāo)并提出個性化治療，改善患者的預(yù)后。根據(jù)其工作機理，柔性電子在CVDs方面的應(yīng)用可大致分為三類：i）柔性機械電子，利用自身機械變形和彈性波與被測物體的相互作用；ii）柔性光學(xué)電子，利用光波與被測物體的相互作用；iii）柔性聲學(xué)電子，利用聲波與被測物體的相互作用。

2023年7月28日，來自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院的李守軍教授、黃源醫(yī)師與來自西安電子科技大學(xué)杭州研究院的江山副教授合作以Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring為題在The Innovation雜志發(fā)表了綜述文章，他們總結(jié)了綜述了柔性電子在CVDs監(jiān)測方面的最新進(jìn)展，聚焦于血壓、心電圖、超聲心動圖和心外膜四個典型臨床應(yīng)用場景，并給出了柔性電子之于CVDs臨床應(yīng)用這一醫(yī)工交叉領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

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圖1. 柔性電子用于心血管健康與疾病監(jiān)測

柔性電子用于血壓監(jiān)測

血壓測量在CVDs監(jiān)測中是一個簡單但又重要的方法，它能夠幫助早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防心血管問題，評估風(fēng)險水平，并監(jiān)測治療效果。相較于傳統(tǒng)袖帶法，柔性電子能夠無創(chuàng)、連續(xù)、實時監(jiān)測血壓。目前，柔性電子用于血壓監(jiān)測主要是柔性機械傳感器、柔性光學(xué)傳感器、柔性聲學(xué)傳感器。限于篇幅，此處只展示第一種（圖2），感興趣的讀者可查閱原文。圖2A給出了血壓和脈博的測量原理，即通過柔性壓力/應(yīng)變傳感器測量血管的舒張變化。圖2B-2F是研究者們在提高精度、降低信噪比、抑制偽影等方面的代表性進(jìn)展?，F(xiàn)階段，柔性機械傳感器在脈搏和血壓監(jiān)測方面的臨床應(yīng)用主要受到靈敏度不足、運動偽影、高能耗等限制，未來的研究需要首先解決靈敏度和持續(xù)性問題，同時降低能耗。

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圖2. 柔性壓力/應(yīng)變傳感器測量脈搏和血壓

柔性電子用于心電圖監(jiān)測

ECG監(jiān)測是另一種安全、無創(chuàng)、簡單且有效的CVDs監(jiān)測方法，通過測量心臟的電信號來評估心臟的功能和節(jié)律。目前，柔性電子應(yīng)用于ECG監(jiān)測主要是通過柔性電極，即柔性干電極和柔性濕電極，二者的區(qū)別在于濕電極需要凝膠/貼片等粘附介質(zhì)而干電極不需要。濕電極能提供更優(yōu)的信號質(zhì)量，但粘附介質(zhì)存在材料要求高、后續(xù)清潔等缺點；干電極可直接使用，信號強度更高，但易導(dǎo)致偽影。圖3展示了柔性干電極用于ECG監(jiān)測。研究者仿樹蛙腳墊和章魚吸盤結(jié)構(gòu)調(diào)整電極表面形貌以增強粘附作用并有效抑制偽影（圖3A）或采用分形設(shè)計出超薄、超軟的電極并應(yīng)用于新生兒的ECG監(jiān)測（圖3B）。

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圖3. 柔性干電極用于ECG監(jiān)測

柔性電子用于超聲心動圖監(jiān)測

超聲心動圖監(jiān)測是一種非侵入性的心臟檢查技術(shù)，利用超聲波來產(chǎn)生心臟及其各種組成部分的實時圖像，以評估心臟的結(jié)構(gòu)和功能，在CVDs監(jiān)測中有廣泛的應(yīng)用。目前，柔性電子（主要是柔性超聲貼片）應(yīng)用于超聲心動圖監(jiān)測最具代表性的成果來自麻省理工學(xué)院趙選賀教授于2022年6月提出的生物粘附超聲貼片（圖4A）及加州大學(xué)圣地亞哥分校徐升教授于2023年1月提出的可拉伸超聲貼片（圖4B）。這兩項工作分別展示了柔性超聲貼片的兩種不同發(fā)展路徑，前一種通過水凝膠制成的耦合劑將硬質(zhì)傳感探頭粘附于皮膚，在器件性能方面更勝一籌；后一種采用本征可拉伸材料制備傳感探頭，具有更好的穿戴舒適性，這兩種發(fā)展路徑各具優(yōu)勢。

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圖4. 柔性超聲貼片用于超聲心動圖監(jiān)測

柔性電子用于心外膜監(jiān)測

心外膜監(jiān)測是指直接測量或監(jiān)測心臟表面生理參數(shù)的侵入性方法，直接測量或監(jiān)測心外膜的電活動、血流或其他生理參數(shù)，在CVDs監(jiān)測中具有不可取代的作用。另外，通過直接心外膜監(jiān)測技術(shù)，醫(yī)學(xué)界能夠更深入了解心血管系統(tǒng)，為CVDs的早期診斷和治療提供更準(zhǔn)確、更有針對性的支持。不同于上述無創(chuàng)方法，作為一種植入式策略，心外膜監(jiān)測會帶來一定的風(fēng)險，如感染、移位、二次損傷等。柔性電子的生物相容性、生物可降解、無線傳輸、自供電、超薄而多功能等特點，有可能最大限度地減少侵入性風(fēng)險。圖5展示了幾種柔性傳感器應(yīng)用于心外膜監(jiān)測，這些傳感器環(huán)繞動脈或附著在心肌表面，輸出電信號能夠反映生理和病理心血管狀態(tài)，例如心內(nèi)膜壓 (EP)、心室顫動和室性早搏等。

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圖5. 柔性電子應(yīng)用于心外膜監(jiān)測

結(jié)論與展望

柔性電子顛覆性地改變了傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測器件、設(shè)備和系統(tǒng)的剛性物理形態(tài)，使其具有輕薄柔軟、可穿戴、可植入和零負(fù)荷的優(yōu)勢，實現(xiàn)醫(yī)學(xué)信息與人、物體和環(huán)境的高效共融，是未來智慧醫(yī)療的信息源頭，具有匹配環(huán)境的可變形特性、輕薄多層的器件集成特性、柔性芯片與柔性電路集成特性，與人體共形貼合的高可穿戴特性等優(yōu)勢。柔性電子在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)是必然的趨勢，具有無比廣闊的應(yīng)用前景，最保守估計也是千億市場規(guī)模。本文旨在從實際臨床應(yīng)用的角度激發(fā)相關(guān)領(lǐng)域研究人員的興趣和好奇心。為此，本文試圖回答以下問題：柔性電子在心血管健康監(jiān)測方面可以提供哪些優(yōu)勢？目前有哪些限制？如何獲得適用于臨床應(yīng)用的合格柔性電子設(shè)備？一方面，本文向柔性電子領(lǐng)域研究人員展示了心血管監(jiān)測臨床需求所帶來的挑戰(zhàn)，另一方面向其他領(lǐng)域研究人員，尤其是臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域從業(yè)者，介紹了柔性電子在心血管監(jiān)測方面所帶來的新的可能性。

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圖6 柔性電子有望成為心血管健康監(jiān)測的新趨勢

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00113-3

制版人：十一

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