心脏是人体重要器官，它通过血管输送血液，为全身提供氧气(O2)和营养物质，并清除体内的二氧化碳(CO2)和代谢废物。世界卫生组织估计心血管疾病(CVDs)，即心脏病和血管疾病占全球死亡总人数的30%。由于心血管疾病在早期发现时更容易控制与治疗，因此对心血管连续监测的需求越来越大。如通过解析心电图(ECGs)模式来监察心血管疾病。此外，监测血压(BP)和血氧饱和度也是常用的心血管健康监测方法。因为血压升高是心血管发病率中最重要的危险因素之一，而血氧饱和度低的基线血氧饱和度对诊断急性心力衰竭非常有用。这是因为当发现心律失常或心力衰竭时，及时、准确的治疗至关重要。因此，心血管美国金鳄有什么危害监测和治疗设备的研究和开发具有重要的需求。

　　1、柔性连续心电图传感器

　　柔性连续心电传感器的研制还面临着许多系统性的挑战。除了柔性电极（见前期文章“柔性电子皮肤会用到哪些电极”）外，还需要完整的电路结构设计、集成电路(ICs)的非常规组装策略、电源和数据传输支持。虽然已推出的Apple Watch 4系列已经获得美国食品药品监督管理局(FDA)的批准，可以进行心电图测量。但它需要双手操作，因为心电图必须测量整个心脏。因此，无手连续心电图测量需要将电极置于胸部。目前，有一种已获FDA认可的柔性性心电图监测设备，Zio Patch (iRhythm Technologies Inc.， USA)(图1a)。虽然电极区域薄而柔软，但是电路、存储和电池模块被集中成一个大的刚性凸块，在贴片的中心有一个柔软的外壳。连续记录单导联心电图可达14d，但不能实时流化心电图数据。心电图数据存储在机上，记录后需要下载。另一种获得FDA许可的商用柔性心电图传感器BioStamp nPoint (MC10 Inc.， USA)。其处理器BioStampRC是一种更薄、甚至稍微可拉伸的单导联心电图传感器，可以通过蓝牙(BT)将实时心电图数据无线传输到移动设备上(图1b)。这种岛+桥的设计使其具有延展性。可以通过一个正在靠近的手机激活ECG传感器(图1c)，将近场通信(NFC)功能集成到patch平台中。虽然整个贴片很薄，并且有轻微的拉伸性，但BioStamp使用的是刚性干电极。超薄金电极可以做成柔性甚至是可拉伸的。图1d为将Au电极喷墨打印在50μm的聚酰亚胺（Kapton）薄膜上作为柔性电极。Kapton是一种具有高热平耐高温(400 0C)的基底材料，集成电路可以直接焊接在其上，在芯片上构建所谓的蓝牙系统。此外，纺织品也被用作电极。如图1e的内背心(左)和胸罩(右)均采用纳米结构的干纺织品电极和带有印刷导电墨水的传感器电子模块相结合，以捕获表面生物电势。电子模块能够通过ZigBee无线传输实时心电数据(图1f)。

　　美国蓝鳄厂家为了实现真正意义上具有皮肤柔弹性的无线心电传感器，利用三维架构来取代平面蛇形结构。即在Ecoflex基体上，通过三维微尺度螺旋结构螺旋网络连接的刚性集成电路，由于应力分布均匀，表现出显著的拉伸性(>1.8倍)(图1g)。有人报道了一种多功能实时心脏监测贴片，其模块化设计将可重复使用的组件和一次性组件分离开来，以解决成本和卫生问题。然而，由于信号处理组件、放大器和滤波器没有集成到设备内部，因此设备必须与外部电源和用于数据处理的数据链相连。且所使用的PET衬底不具备皮肤顺应性。因此，添加导电医用润滑脂以增强电极与皮肤之间的接触。一种用于有线机电生理传感平台的柔软适形类，通过将电容电极、数字加速度计和有源滤波器元件集成到设备中，可以采集心电图和机械声学信号，如胸部的心振图(SCG)。为了增加功能，单层电路的面积限制成为一个主要问题。为了解决这一局限性，提出了三维叠加柔性电路。通过激光加工，三维可拉伸电路采用软弹性体作为层与层之间的介电层(图1h)。可以通过对弹性体层进行激光烧蚀来制作垂直互连通道。通过外接电池，可拉伸的3D叠加贴片可以通过BT实时传输心电图和运动。

　　对于可穿戴设备来说，长期供电的挑战巨大。因此提出多种无线供电/充电策略。如射频(RF)数据/电力传输已在微流体室增强可拉伸心电图装置中实现(图1i)。然而，为了实现完全的无线数据/电力传输，必须结合体积较大的外部波形发生器、接收天线、频率计数器和/或电源模块(图1j)。

　　图1 柔性连续心电传感器

　　2、可穿戴式脉搏血氧仪

　　连续心电图需要从胸部进行测量，而血氧饱和度(SaO2)的连续测量可以在指尖或手腕使用柔性脉搏血氧仪进行。血液中溶解的O2选择性地与血红蛋白结合，形成血液中氧血红蛋白(结合运输氧，HbO2)和脱氧血红蛋白(不结合氧，Hb)的混合物。动脉血液中HbO2的百分饱和度是SaO2。用脉冲血氧计测量时，称之为SpO2。传统的刚性脉冲血氧仪夹在指尖上，是由一个光电探测器(PD)和两个不同波长的快速交替发光二极管(led)如IR (940 nm) + red (660 nm)或green (530 nm) + red (530nm)组成。根据不同的应用程序，PD和LEDs垂直放置为传输模式(图2a)，或水平放置为反射模式。图2b为向上入射光到PD的透射光通路，光线必须通过动脉血、静脉血和其他组织进行传输。光吸收由动脉收缩期(最大光吸收)和舒张期(最小光吸收)引起的脉动交流信号和静脉血和组织的非脉动直流信号组成。由于HbO2和Hb在不同波长有不同的吸收速率，所以为了计算SpO2，根据Beer Lambert定律，使用LED发出的直流或交流分量信号的入射光。健康人的SpO2值在95 - 99%之间。因此结合脉搏，SpO2是一种快速检测心血管异常活动的方法。

　　笨重而刚性的商用脉搏血氧仪穿戴不变，不适用于连续的SpO2检测。因此，更接近皮肤的、柔性可拉伸的脉冲血氧仪由于其更薄、更轻的形状与皮肤顺应性，以及在机械稳健性和弹性变形方面与软材料的结合。柔性有机发光二极管(OLED)和有机光电探测器 (OPDs)已成为柔性血氧仪的理想活性材料。有人用聚芴衍生物作为OLED的发射层，利用刮涂工艺将OPDs的活性层打印在聚萘乙酯(PEN)衬底上，分别处制备了红光（626 nm）和绿光（532 nm）的OLED。与传统的红光和近红外发光二极管相比较，红光和绿光OLED能够计算SpO2。OLED和OPD均设置在传输模式下，但其刚性限制了这类血氧仪的柔性(图2c)。采用红色和绿色的OLEDs，并在同一侧放置Si PD来获得反射模式脉冲血氧仪(图2d)。由于这样的排列需要一侧有更大的空间，因此手腕为更理想的可穿戴载体。此外，NFC无线脉冲血氧仪作为手指包(图2e)或指甲贴片(图2f)也有报道。

　　图2 可穿戴式脉搏血氧仪

　　3、侵入性柔性心脏监测传感器

　　除心电图外，血压也是监测心血管健康的重要指标。心电图测量心脏的电活动，通过测量波形的时间间隔、大小和形状进行分析。以此了解心跳的规律，信号通过心室需要多长时间，心脏的大小等等。与心电图不同，血压与心血管系统的血流动力学密切相关。因此，心脏不同腔室(心脏的左/右)和血管系统(中央/外周)的血压值有助于医生确定心血管系统的功能完整性，这些功能完整性受到心脏功率、动脉僵硬、血流阻力和血液粘度的影响。心脏左(动脉压)和右(静脉压)产生的压力在脉波形态和峰值上存在差美国大鳄金异。这些差异必须考虑，并不断监测其微小的变化。虽然柔性穿戴式心血管传感器的功能越来越强大，且使用时间越来越长，但许多定位准确的电生理信号仍需要直接从心脏表面或血管进行体内测量。

　　连续的BP感知动脉线(A线)就是一个很好的例子。手臂或手腕上的无创充气BP袖口(血压计)非常笨重，只能提供离散的测量。还有其他几种无创BP预估技术，如体积钳位、动脉张力测量、超声壁跟踪和脉冲传递时间(PTT)。最近超声波设备具有可穿戴性(厚度为240μm)和皮肤适合与医学超声探测的分辨率。然而，由于其精确度和耐磨性有限，这些方法均未获得FDA的连续BP测量批准。因此，目前入侵的A线是连续BP检测的唯一标准。无线操作A线可以实现全植入式连续式BP传感器。图3a展示了一个无线和无电池系统组成的互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片组(5.6 mm × 0.7 mm × 350 μm)与一个专用集成电路(ASIC)，它可以测量30 Hz的BP与采样率，测量范围为30–300 mmHg (羊的股动脉血压)和精度±1.0 mmHg。传感器通过与外部读取站的感应耦合供电，必须植入股动脉，才能使用Seldinger技术进入血管。虽然该方法的侵入性低于标准的心导管检查，但插入该装置需要穿刺所需要的血管，与标准的A线方法相比，会增加患者的风险。

　　对臂、腕、指等周围血压的监测已得到广泛应用，但重要的是要考虑到血压(收缩压和舒张压)的变化取决于其测量位置和整个动脉树的位置。虽然外周血压被认为是某些症状的重要预测因子，但最近的研究表明中心血压的重要性。降压药物试验显示，对中心血压而非外周血压进行评估可提高心血管健康的识别。从这个角度来看，从主动脉测量的实时血压。为了避免穿刺血管，在血管周围安装了压力感应硅胶袖(图3b)。弹力袖由微机电系统(MEMS)电容式压力传感器(图3b)组成，浸在低粘度硅油中。BP波形是通过耦合由容器容积变化引起的腔体调制和应变计测量直径变化来测美国大鳄鱼金鳄10粒量的，线性灵敏度为0.18% mmHg?1的基电容(在体内)。与传统的以导管为基础的方法不同，这种设备可以避免血管堵塞、出血和血栓等并发症。

　　柔性电子技术不仅能够包裹血管，而且能够测量心脏内部的心肌电活动。这种装置应该具有机械性能，使心脏的包裹具有合理的接触压力，便于附着和整合，但对自然心跳的机械阻力最小。图3c是一种由均匀纳米复合材料AgNW和生物相容的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)橡胶组成的弹性导电网状电极。该心脏网片可成功植入心外膜表面，与传统双极电极相比，心外膜心电图的基线漂移更小(图3d)。而植入式电子设备的运行极大地受限于电源。即使采用外部射频源无线供电，射频发生器也必须放在附近，大大限制了移动性。理想情况下，这种植入式设备可以通过从心脏获取机械能来自我供电（图3e）。即使在没有电池的情况下，也能够连续监测心率、呼吸率、心电图和估计血压等多种心脏信号。此外，连续的血流测量还通过提供有关动能在体内流动的微血管和大血管信息，在心血管健康的诊断和表征方面发挥着重要作用。

　　图3 侵入性柔性心监测传感器

　　4、柔性心外膜绘图设备

　　侵入性心外膜传感器也能够以高时空分辨率绘制心脏图谱。实时绘图和体内心肌细胞电生理的调节可能对临床治疗中的心脏活动产生重要影响。各种形式的柔性心脏绘图设备，如2D薄片、袖和网格，已被证明可以记录和刺激心脏上的许多位置(图4)。这些装置必须与生物液体完全隔离，以防止电流泄漏，以免在相邻组织中造成意外的冲击。通过表面张力与心外膜相适应，由288条多路Si纳米膜通道组成的电子传感器系统，用于测量心脏活动(图4a)。利用各接触点的相对激活时间，直观地观察心脏去极化的传播情况(图4b)。这种二维片状测图装置的柔性有源阵列在覆盖面积与心外膜表面接触的可靠性等方面存在一定的局限性。因此，三维多功能皮肤膜(3D-MIMS)是柔性心外膜电子学的一个重大突破，因为它是第一蓝色金鳄美国个实现前后表面整个心外膜的时空映射(图4c)。3D-MIMS中集成的高密度电、pH、温度传感器和LED具有ECG、pH、温度映射和光学刺激功能(图4d)。兔心脏活体实验验证了3D-MIMS对电压依赖性荧光的传统光学测量的时空映射能力(图4e)。

　　然而，由于小动物和大动物之间存在先天的生理差异，基于小动物体内实验的心脏模型难以扩展这些装置的有效性。因此，需要使用大型动物模型。最近，一种大面积导电纳米复合网片被应用于猪心脏的体内测量(图4f)。心脏补片由涂有金的AgNWs和SBS弹性体组成，SBS弹性体配置为二维补片，扇形补片上集成了42个电极。该网被设计用于覆盖猪心脏的整个心室表面，具有高导电性(41850 S cm?1)和可拉伸性(266%) (图4g)。使用这个网格可以得到心脏前后的活体电压图(图4h)。

　　图4 柔性心外膜测图仪

　　参考文献YongseokJoseph Hong, Hyoyoung Jeong, Kyoung Won Cho, Nanshu Lu, and Dae-Hyeong Kim. Wearableand Implantable Devices for Cardiovascular Healthcare: from Monitoring toTherapy Based on Flexible and Stretchable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2019,18082

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