一项关于可穿戴压电血压传感器的临床验证研究报告

主要作者及发表信息

该研究由Seongwook Min、Dong Hyun Kim、Daniel J. Joe、Keon Jae Lee等学者共同完成。研究团队主要来自韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系、韩国标准科学研究院（KRISS）安全测量研究所、韩国机械与材料研究院（KIMM）以及延世大学医学院和韩国天主教大学医学院等机构。这项研究成果于2023年5月11日在线发表于国际知名学术期刊 *Advanced Materials*（2023, 35, 2301627）上。

研究背景

在全球范围内，高血压是导致中风、心力衰竭和冠状动脉疾病等多种心血管疾病的主要风险因素，每年约造成940万人死亡。因此，对能够帮助患者在日常生活中管理血压的连续无创动脉压（continuous non-invasive arterial pressure, CNAP）监测设备的需求日益增长。传统的无创血压测量方法，如听诊法和示波法，通常需要对肱动脉或桡动脉施加外部压力，其设备体积笨重且会给使用者带来不适，限制了连续监测的应用。虽然基于光电容积描记法（photoplethysmography, PPG）的可穿戴血压监测设备已经商业化，但该项技术存在固有局限，如易受光学噪声、肤色和灌注指数变化的影响，导致测量精度不足，难以在医疗领域广泛应用。压电压力传感器因其高灵敏度和自供电特性成为监测生理信号的有力候选。然而，先前的研究或受限于压电陶瓷的非柔性特质，难以与曲面皮肤共形贴合，或缺乏充分的临床验证来证实其测量准确性。本研究旨在开发一种基于超薄柔性压电传感器的高精度可穿戴血压监测设备，并通过严谨的临床试验验证其性能，以克服现有技术的不足。

研究流程与实验方法

该研究的工作流程主要分为四个阶段：器件设计与制备、器件性能表征、传递函数建模以及临床验证与无线系统演示。

第一阶段是器件设计与制备。研究团队设计并制造了一种可穿戴压电血压传感器（wearable piezoelectric blood-pressure sensor, WPBPS）。其核心压电材料选用具有优异压电性能的锆钛酸铅（Pb(Zr₀.₅₂Ti₀.₄₈)O₃, PZT）钙钛矿薄膜。为获得高质量薄膜，研究人员首先在蓝宝石衬底上通过溶胶-凝胶法旋涂并高温退火结晶化PZT，再利用激光剥离（laser lift-off, LLO）技术将其转移至柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（poly(ethylene terephthalate), PET）衬底上。通过X射线衍射和X射线光电子能谱分析，证实了LLO过程前后PZT薄膜的结构和组分未发生变化。器件结构上，传感器顶层和底层分别使用了生物相容的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）钝化层和医用级粘合剂，这不仅降低了寄生电容、提升了信噪比，还促进了传感器与皮肤的共形贴合。传感器采用了75微米厚的PET衬底，使PZT薄膜远离力学中性面，从而获得高灵敏度。

第二阶段是器件性能表征。研究者首先利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件模拟了传感器在10千帕（kPa）外部脉冲压力下的压电势分布，理论计算表明其能产生约0.35伏特的电势差。随后，通过动态推压台对传感器进行实际测试，结果显示，在0.4至43 kPa的压力范围内，传感器的开路电压从0.07伏特单调递增至2.6伏特。在10 kPa以下的生理压力范围内，其归一化灵敏度高达0.062 kPa⁻¹，是先前研究的三倍以上。响应时间测量为23毫秒，速度也提升了一倍以上。在10 kPa、3赫兹条件下进行超过50,000次循环的按压测试后，输出电压未见显著衰减，证明了其优异的机械稳定性。为验证传感器感知微小压力变化的能力，研究人员搭建了一套体外测试系统。该系统包含一个脉搏模拟器，连接一个内置仿生血管硅胶管的腕部模型。当模拟器设定收缩压120毫米汞柱、舒张压80毫米汞柱的脉搏波时，WPBPS能精确捕捉到输出信号中细微的特征变化，如收缩晚期波峰和重搏切迹。同时，研究者将WPBPS与一款经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的CNAP医疗仪器（Edwards Lifesciences的ClearSight系统）在人体上进行了同步测量比较。结果显示，WPBPS不仅能够清晰检测到收缩晚期波峰，甚至能识别出二尖瓣关闭等特征，而这些特征在商用医疗仪器的波形中几乎难以辨别。

第三阶段是传递函数建模。要将传感器的电信号输出转换为血压值，需要一个精确的传递函数。研究采用线性回归模型构建了这一转换关系。具体方法为：先使用经临床批准的商用上臂式示波血压计（Omron HEM-7121）作为参考，对受试者进行三次血压测量，每次间隔5分钟。同时，记录每次测量中压电传感器所获20个连续脉搏波形的峰值电压最大值（Vmax）和最小值（Vmin）的平均值。将参考血压计的收缩压与Vmax、舒张压与Vmin分别形成6个有序数据对，在二维坐标系中进行线性拟合，从而得到该受试者的个性化传递函数。实验数据表明，该线性模型的决定系数（R²）高达0.990。在首次测量后两天和四天分别再次进行三组测量，得到的R²值仍分别保持在0.981和0.990，证明了传递函数在个体身上的时间稳定性。同时，不同受试者由于皮肤厚度、血管弹性等生理特征不同，其传递函数的斜率各异，因此每位使用者首次使用前都需要进行一次初步校准。

第四阶段是临床验证与无线系统演示。在获得韩国食品药品安全部（MFDS）和议政府圣母医院伦理委员会（IRB）批准后，研究团队依据国际标准招募了35名年龄在20至80岁之间、包含健康人群和高血压患者的受试者进行临床试验。试验中，每位受试者交替使用WPBPS和示波血压计进行8次测量。其中3次用于校准，其余5次用于分析，共获得175个有效数据对。统计分析结果显示，与商业血压计相比，WPBPS的收缩压平均差异为−0.89 ± 6.19毫米汞柱，舒张压平均差异为−0.32 ± 5.28毫米汞柱。这表明传感器在不同年龄段和性别人群中均表现出较高的准确性。最后，研究团队开发了一款将WPBPS嵌入表带的腕表原型机。该腕表集成了模拟前端（包含前置放大器和16位模数转换器）和数字主板（包含微控制器和蓝牙模块），能够将采集到的脉搏信号经模数转换、处理后无线传输至便携设备。便携设备上安装的软件基于已编程的传递函数，可实时计算并显示连续的血压值，实现了便捷的便携式CNAP监测。

研究结论与价值

本研究成功开发了一种基于超薄压电传感器和高精度传递函数的可穿戴血压监测系统。该系统凭借传感器0.062 kPa⁻¹的高灵敏度和23毫秒的快速响应时间，能够获取比肩甚至超越FDA批准商用仪器的优质脉搏波形。通过线性回归模型建立的个性化传递函数精确可靠，实现了传感器信号到血压值的精准转换。35人的临床实验验证了该系统具有临床级的测量精度，其与标准示波血压计的测量值差异符合行业标准。这项研究的科学价值在于，它系统性地解决了可穿戴血压监测领域的三个核心难题：传感器信号质量低、信号到血压的转换函数不精确以及缺乏充分的临床精度验证。其应用价值在于，所展示的腕表原型机为真正实现便捷、舒适、连续的日常血压监测提供了一条极具潜力的技术路径，有望在心血管疾病的早期诊断和长期健康管理中发挥重要作用。

研究亮点

本研究的主要亮点包括：第一，通过材料与结构优化，极大地提升了柔性压电传感器的灵敏度和响应速度，使其能捕捉到传统医疗设备都难以辨别的脉搏波形细节，如二尖瓣关闭特征。第二，提出了一个简洁且稳定的线性回归传递函数模型，并论证了其个体化的必要性和时间上的可靠性，解决了传感器输出信号向临床血压值转换的核心技术瓶颈。第三，该研究进行了符合国际标准的严格临床试验，用详实的数据（35名受试者，175个数据对）验证了设备的准确性，这是同类研究中较为少见的，为其实际医疗应用提供了强有力的证据。第四，成功将高性能传感器与微型化无线电路集成为腕表形态，实现了从实验室技术到可实用化原型设备的跨越。