性化心血管監(jiān)測在心血管疾病的早期發(fā)現和管理中發(fā)揮著至關重要的作用。然而，目前的無創(chuàng)監(jiān)測方法面臨著傳感器-皮膚界面不穩(wěn)定、生理和解剖差異以及難以平衡準確性和舒適度等挑戰(zhàn)。

2025 年 9 月 25 日，清華大學生物醫(yī)學工程學院李舟、鄒洋共同通訊在Advanced Functional Materials上在線發(fā)表題為“A Biomimetic Epidermal Sensing Sucker via Stress Excitation for Personalized Cardiovascular Monitoring”的研究論文。受章魚吸盤力學的啟發(fā)，研究提出了一種仿生表皮傳感吸盤 （BESS），它將適形生理傳感與原位壓力調制相結合。


通過負壓吸附實現與動脈部位的穩(wěn)定附著，同時通過自適應壓力調制增強脈沖信號的幅度以實現最佳檢測，有效解決個體間差異。BESS借用中醫(yī)脈搏觸診，施加增量垂直壓力，在局部動脈血管中誘導應力激發(fā)，捕捉脈搏振蕩波，量化傳統(tǒng)脈搏診斷信息。利用BESS獲得的豐富脈搏特征，通過機器學習將經典示波法與脈搏波特征分析相結合，開發(fā)了一種無袖帶血壓（BP）估計系統(tǒng)，在不阻塞動脈血流的情況下實現高精度（收縮壓為1.36±3.81 mmHg，舒張壓為1.15±2.94 mmHg）。仿生學和智能傳感技術的跨學科整合為個性化心血管監(jiān)測提供了一條充滿希望的途徑，具有平衡的準確性、舒適性和可解釋性。


目前，心血管疾?。–VD）是最常見的導致人類死亡原因。個性化的心血管健康監(jiān)測對于CVD的早期預警和長期管理至關重要。脈搏生理信號提供了對血流動力學參數的實時洞察，可作為評估心臟泵送功能、循環(huán)狀態(tài)、雖然可穿戴技術已經實現了無創(chuàng)脈搏監(jiān)測，但是它們通常受到皮膚和傳感器之間的界面的穩(wěn)定性的限制，個體間動脈解剖結構的變化，以及在正常條件下信號特征缺乏多樣性，使得滿足臨床需求具有挑戰(zhàn)性。


由于性別、年齡、身體脂肪等的差異，脈搏深度和強度在個體之間可能存在顯著差異。因此，為了實現跨個體的脈搏信號的有效檢測，將傳感器固定到身體表面的方式，與皮膚的適形接觸的緊密性。脈診是中醫(yī)學的基本技術，通過調整在脈搏觸診期間施加的壓力以感知脈搏信號的細微差異，可以用于確定個體的健康狀況。雖然這種方法方便有效，但它依賴于中醫(yī)從業(yè)者的經驗和主觀判斷。此外，缺乏標準化的脈診分析范式阻礙了中醫(yī)脈診經驗向循證醫(yī)學的轉化。血壓（BP）是心血管監(jiān)測的另一個重要指標，有助于及時識別高血壓等危險因素，這有助于預防嚴重并發(fā)癥。人體脈搏與BP有內在聯系，脈搏波形的分析可以間接評估BP波動，但是在實際應用中仍然面臨可解釋性和準確性方面的挑戰(zhàn)。總體而言，一類方法集中于研究當施加動態(tài)壓力時的總體脈搏變化，而二類捕獲恒定狀態(tài)下個體脈搏波的詳細表征。結合這兩種方法的優(yōu)點可能是突破現有BP檢測的準確性、適用性和便利性的潛在解決方案，其在于在精確地感測脈搏變化的同時向動脈部位施加受控壓力負荷的能力。


章魚吸盤具有獨特的漏斗和突起形態(tài)，可以通過精細的肌肉控制在各種表面上進行共形吸附，加壓和自由分離，激發(fā)了一系列創(chuàng)新研究。靈感來自章魚吸盤的結構力學和基于中醫(yī)脈診的基本原理，研究者研制了一種仿生表皮傳感吸盤（BESS），該裝置將適形生理傳感與原位壓力調節(jié)無縫集成，便于個體之間的自適應心血管監(jiān)測。通過模仿章魚吸盤的負壓吸附和主動加壓機制，BESS通過可控的原位壓力加載實現了在各種動脈部位上的穩(wěn)定附著和適形感測。自適應壓力調制能力顯著增強了脈搏信號幅度約三倍，解決脈搏檢測中的個體間差異，以優(yōu)化測量一致性。BESS借鑒中醫(yī)脈搏觸診，通過向表皮施加遞增的垂直壓力來捕獲動脈振蕩波，進一步分析連續(xù)加壓過程中脈搏信號的響應特征，能夠定量表征傳統(tǒng)的脈搏診斷方法。

圖1 仿生自適應脈搏壓力傳感器（BESS）及智能血壓測量系統(tǒng)的設計（摘自Advanced Functional Materials）


利用這些進步，研究還開發(fā)了一種新型的無袖帶BP估計系統(tǒng)，該系統(tǒng)將經典的脈搏波測量與脈搏波特征分析相結合。該系統(tǒng)通過采用原位局部應力激勵策略，在不阻塞動脈血流的情況下有效地捕獲脈搏振蕩波。使用機器學習建立了魯棒的BP相關模型，在保證可解釋性的同時實現了高精度（收縮壓為1.36±3.81mmHg，舒張壓為1.15±2.94mmHg）。通過彌合脈搏動力學和BP估計之間的差距，BESS為個性化心血管健康監(jiān)測提供了全面的解決方案。

參考消息：

https://doi.org/10.1002/adfm.202514598

來源：iNature