基于全惠斯通电桥的软体三维压力传感器用于心血管监测
一、 研究团队与发表信息
本研究由韩国庆熙大学的 Yoonseok Park 与美国西北大学约翰·罗杰斯生物集成电子中心的 John A. Rogers 共同领导，并联合了来自韩国科学技术院、高丽大学、汉阳大学、成均馆大学、韩国科学技术研究院以及美国加州大学圣地亚哥分校、哥伦比亚大学、加州大学戴维斯分校等多所研究机构的众多学者共同完成。该研究成果以题为“Soft, full Wheatstone bridge 3D pressure sensors for cardiovascular monitoring”的论文形式，于2024年发表在学术期刊 npj Flexible Electronics 上。
二、 研究背景与目标
心血管疾病是全球主要的致死原因，持续、有效的监测对于疾病的预防和管理至关重要。然而，现有的监测系统多依赖于医院内的有线设备，限制了其应用的场景和连续性。尽管已开发出一些可穿戴技术，但在动态生理过程（如搏动性血流产生的时变压力）的监测方面，尤其是在如何克服环境因素（如温度波动）干扰的问题上，仍面临重大挑战。许多压阻式压力传感器对温度变化高度敏感，这会影响测量的准确性，因此需要主动的温度补偿策略。
本研究旨在解决这一挑战，目标在于开发一种新型的、能够用于连续、无线、实时心血管监测的软体可穿戴传感器系统。具体而言，研究的核心目标是：设计并制造一种对温度变化不敏感、同时对压力（特别是与体表动脉搏动相关的低压范围）具有高灵敏度的三维压阻式传感器；并将此传感器集成到一个柔软、灵活的电子平台中，实现对桡动脉和颈动脉等关键部位脉搏波形的无线、高质量采集，最终通过与标准方法的对比验证其在血压等心血管参数监测方面的潜力。
三、 详细研究流程
本研究是一个典型的从器件设计、制备、表征到系统集成、体外验证，最终进行人体测试的完整工程技术研发流程。其主要步骤如下：
1. 三维微系统传感器（3D MIS）的设计与制造： * 设计原理： 研究团队的核心创新在于将四个压阻式应变计集成为一个三维立体结构，并采用全惠斯通电桥配置。其布局经过精心优化，使得四个应变计相对于机械中性面对称分布。当传感器受到法向压力时，位于中性面之上和之下的金属迹线会分别产生拉伸和压缩形变，从而导致电阻发生相反方向的变化（两个电阻增加，两个电阻减小）。这种对称的差分设计使得电桥输出对温度变化（因为所有电阻随温度变化的趋势相同）不敏感，同时将压力引起的电阻变化信号加倍输出，从而显著提高了压力灵敏度。 * 制造流程： 传感器制造始于一个二维多层堆叠前驱体。首先在玻璃基底上旋涂并固化聚甲基丙烯酸甲酯牺牲层，然后依次沉积和图案化聚酰亚胺绝缘层和铬/金金属层（作为应变计和互连线）。通过光刻和剥离工艺形成底层蛇形金图案，覆盖另一层聚酰亚胺后，再重复该过程形成顶层金图案。最后旋涂顶层聚酰亚胺进行封装。关键的三维成型步骤采用“机械引导组装”技术：将释放后的二维前驱体转移到预拉伸的双轴弹性体基底上，溶解牺牲层并释放预拉伸，利用压缩屈曲将平面结构转化为预定的三维“桌形”立体结构。随后，将三维传感结构用硅橡胶封装，并集成一个丙烯酸环和蛇形聚酰亚胺层框架以增强机械稳定性，最终组装成完整的压力传感器单元。
2. 传感器性能表征与优化： * 压力灵敏度与线性度： 使用电机驱动的力学测试系统对传感器施加0-200 mmHg的法向压力，并同步记录传感器输出电压。实验结果表明，在目标压力范围内，传感器输出与施加的压力呈高度线性关系。与使用一个自制传感器和三个商用电阻的四分之一电桥设计相比，全桥设计的灵敏度提高了三倍。 * 温度不敏感性验证： 将全桥和四分之一电桥传感器置于25°C至40°C的温度环境中测试。结果显示，全桥传感器在此温度范围内的输出基本不变，而四分之一电桥传感器则表现出明显的温度漂移。进一步的实验模拟了传感器在体表可能遇到的温度梯度（如热物体接触皮肤），全桥设计能迅速恢复稳定读数，而四分之一电桥设计则出现显著滞后和读数误差，证明了全桥设计在消除温度干扰方面的优越性。 * 抗剪切应力与机械稳定性测试： 通过有限元分析和实验，验证了封装结构（特别是蛇形聚酰亚胺层框架）能有效分散剪切应力，使核心三维传感结构主要响应法向压力，而对侧向力不敏感。疲劳测试表明，传感器在超过1000次的加载-卸载循环后性能保持稳定。
3. 体外仿生模型验证： * 为了在受控环境中验证传感器监测脉搏波的能力，研究团队构建了一个心脏模拟系统。该系统包括脉冲发生器、水缸和硅胶管，分别模拟心脏、血容量和血管。将人造血管（硅橡胶管）嵌入模拟皮肤（软硅胶弹性体）中，并将3D MIS传感器置于人造皮肤表面、血管正上方。 * 实验通过模拟不同脉搏频率（50, 70, 90, 110 Hz）的血流，同时记录传感器信号和系统内参考压力传感器的读数。通过一个与模拟皮肤力学特性相关的比例系数k，将传感器测得的表面压力转换为血管内压力。结果显示，经过转换后的传感器波形与参考传感器的波形在四种频率下均高度吻合，证明了传感器准确捕捉动态脉搏波形的能力。
4. 无线系统集成与人体测试： * 将优化后的3D MIS传感器集成到一个柔性印刷电路板平台上。该平台集成了蓝牙低能耗系统芯片、仪表放大器、NTC温度传感器、参考电阻和纽扣电池等组件。整个系统经过柔性封装，形成一个轻薄、柔软、可舒适贴附于皮肤的可穿戴设备。 * 人体可行性研究： 研究获得了伦理批准，并在健康受试者中进行。将无线传感器设备用腕带固定在受试者桡动脉处，同时使用标准的指套式血压监测设备作为参考。通过校准确定个体化的k值（约2.1），将传感器测得的界面压力转换为血压估计值。 * 受试者进行了一系列生理挑战测试，包括瓦尔萨尔瓦动作（用力呼气对抗关闭的气道）、屏气和将另一只手浸入冰水中。这些动作会引发心率和平均动脉压的可预期变化。实验同步记录了参考设备和无线传感器的数据。结果显示，传感器系统能够清晰地捕捉到由这些动作引起的血压和心率波动，其趋势与参考设备完全一致。通过Bland-Altman图对三名受试者的平均动脉压、心率、收缩压和舒张压数据进行统计分析，证明了无线传感器系统与参考标准设备之间具有良好的一致性。
四、 主要研究结果
这些结果环环相扣：首先，基础器件性能的优化（高灵敏度、温度不敏感、机械稳定）是后续应用的前提；其次，体外仿生模型的成功验证为人体测试奠定了基础，证明了传感器原理的可行性；最终，人体测试的直接对比结果，有力地支撑了该技术可用于实际心血管监测的最终结论。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发并验证了一种用于连续、无线心血管监测的新型软体三维压力传感系统。其核心贡献在于通过创新的全惠斯通电桥三维微结构设计，从根本上解决了可穿戴压阻传感器普遍面临的温度干扰问题，同时提升了压力灵敏度。该系统具有线性好、滞后小、仅对法向压力敏感、机械性能稳定等特点。
该研究的价值体现在： * 科学价值： 提出并验证了一种通过三维机械布局和全桥电路设计来实现传感器自温度补偿的新方法，为高性能、环境鲁棒的可穿戴传感设计提供了新思路。 * 应用价值： 所开发的集成化无线系统，能够实现医院外、家庭环境下的连续心血管监测，对脉搏波形进行高质量采集，并有望通过与校准结合实现血压的连续估算。这为心血管疾病的早期发现、长期管理和个性化护理提供了强有力的技术工具，具有广阔的远程健康管理应用前景。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究团队详细描述了传感器的完整制造工艺、柔性电路板的制作、无线系统的封装方法以及数据分析流程（如使用Python算法识别脉搏波峰）。此外，论文还提供了详细的有限元分析模型参数，用于模拟和优化传感器的机械行为。这些详实的方法学描述为其他研究者复现和改进该技术提供了重要参考。研究也提及，该无线系统以4 Hz的速率传输平均压力值，其可更换电池的预期寿命可达30天，这进一步提升了其实用性。