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《Adv. Mater.》期刊发表上海交通大学团队基于压电动态的动脉脉搏连续血压监测研究
作者与机构
本研究的通讯作者为上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室的Wenming Zhang教授和微纳电子学系Bin Yang教授。第一作者为Zhiran Yi，合作作者包括Zhaoxu Liu、Wenbo Li等。研究发表于材料科学领域顶级期刊《Advanced Materials》（2022年3月，卷34，文章编号2110291）。

学术背景
高血压是全球心血管疾病的主要诱因，但传统袖带式血压计存在便携性和连续性不足的问题。基于动脉脉搏波速度（Pulse Wave Velocity, PWV）的穿戴式监测技术虽被广泛研究，但依赖多传感器同步测量，存在时间与距离误差，且压电动脉脉搏响应机制尚不明确。本研究旨在阐明动脉脉搏的压电动力学机制，开发基于单传感器的连续血压监测系统，解决传统方法的局限性。

研究流程与方法
1. 压电动力学模型构建
- 目标：揭示动脉脉搏压电响应与血压的关联性。
- 方法：建立数学模型，分析压电功能层厚度（纳米至宏观尺度）对响应的影响。通过拉普拉斯逆变换和频域转换函数（Conversion Function, G(f)）量化输出电压与血压的关系。
- 创新点：首次提出三种压电响应与血压的关联模式（积分关联、过渡校正关联、直接关联），并通过方程（1）和（2）描述其数学关系。

1. 压电传感器设计与验证

   • 设计：采用锆钛酸铅（PZT）厚膜压电层（300 µm），通过机械减薄和定制转移工艺（图S4-S6）实现柔性基底（PET）集成。
     
   • 测试平台：动态力加载实验对比刚性（玻璃）与柔性（Ecoflex）基底的性能差异。结果显示，柔性基底灵敏度更高（7.5 V·N⁻¹ vs. 4.8 V·N⁻¹）。
     
   • 关键数据：传感器对20 mN动脉脉搏力的响应信噪比优于商用传感器（208C02, PCB Piezotronics）。
     

2. 动脉脉搏信号采集与血压评估

   • 实验设计：在四种体位（P1-P4）下采集桡动脉和指动脉信号，分析体位对脉搏波形的影响（图3a）。
     
   • 数据处理：通过Savitzky-Golay平滑和1 Hz高通滤波消除运动伪影，神经网络模型实现96.5%的体位识别准确率。
     
   • 血压计算：基于方程（p = φ∫vdt + φfbp*）重构连续血压波形，校准后与袖带式血压计结果一致（图3e-f）。
     

3. 有限元仿真与验证

   • 仿真模型：以血压波形为输入载荷，模拟脉搏血管壁压力对传感器的分布载荷作用（图4a-c）。
     
   • 结果验证：仿真输出电压波形与实测信号高度吻合（图4g），证明血压与压电响应存在一阶导数关系。
     

主要结果
1. 压电响应机制：发现压电层厚度决定响应模式——≤1.6 μm时直接关联，1.6 μm至纳米尺度为过渡校正，≥1.6 μm为积分关联（图1e）。
2. 单传感器监测可行性：通过单传感器积分算法实现连续血压波形重构，误差 mmHg（图6f）。
3. 体位适应性：基于脉搏波形的体位特异性（如手抬高时波幅下降），有效消除运动伪影。

结论与价值
本研究首次阐明动脉脉搏压电动力学的三种关联机制，提出无需多传感器同步的单点连续血压监测方法。科学价值在于填补压电响应机制的理论空白；应用价值在于为便携穿戴设备开发提供新范式，可应用于高血压早期预防和日常管理。

研究亮点
1. 理论创新：建立压电响应与血压的数学关联模型，解决长期争议。
2. 技术突破：开发柔性压电厚膜转移工艺，实现高灵敏度传感器（灵敏度较传统提升56%）。
3. 临床适用性：单传感器方案简化系统复杂度，降低运动伪影干扰。

其他价值
研究提出的无线监测系统（图6a-b）已通过蓝牙模块实现实时数据传输，为未来物联网医疗（Internet of Medical Things, IoMT）集成奠定基础。

该报告完整呈现了研究的学术逻辑与技术创新，符合学术传播的规范要求。