Nature Nanotechnol:突破!把血压计“纹”在身上,全天候监测并预警高血压危象

2022-08-09 心血管新前沿 生物探索

可导电的石墨烯电子纹身可持续收集皮肤传导的小电流,并通过机器学习算法分析血压结果,且测量血压准确性较高。

导语:家用血压计已应用多年,其工作过程广为人知:将手臂放入袖带内,按下开始按钮,感觉手臂受到挤压,然后读数。虽然这种方法的结果是准确的,但只能测量瞬时血压值,得到的只是单一的数据点,可能很难捕捉到高血压特征。我们的血压在一天中变化很大,尤其是在不稳定的高血压患者中,血压极易从一个极端变化到另一个极端。如果不及时发现血压的异常升高,会导致高血压患者出现严重的心脑血管疾病,如:中风、脑梗、心梗和猝死等。

仅捕捉瞬时血压值,还可能会出现“白大衣高血压(看见穿白大褂的医生,血压就升高)”误判,或错过血压预警与识别疾病全貌。一些血压连续监测方法主要依赖于光学、声学或力学模式。这些系统的共同缺点是体积大并且与皮肤的弹性特性不相容。那么,有没有操作简单、无创、准确、轻便、不影响日常生活且可长期连续监测血压的产品呢?

2022年6月20日,德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队在Nature Nanotechnol发表题为“Continuous cuffless monitoring of arterial blood pressure via graphene bioimpedance tattoos”的研究成果(图1)[1]。研究发现可导电的石墨烯电子纹身可持续收集皮肤传导的小电流,并通过机器学习算法分析血压结果;测量血压准确性较高,误差:收缩压为0.2±5.8 mmHg,舒张压为0.2±4.5 mmHg,平均动脉压力为0.1±5.3 mmHg;石墨烯的薄层会牢牢粘在皮肤上,不会四处滑动,可避免“伪影”数据;石墨烯电子纹身可以在皮肤上佩戴大约一周。

图1 研究成果(图源:[1]

在非临床(动态)环境中持续监测动脉血压(Blood pressure,BP)对于了解人体多种健康状况至关重要。医生依靠袖带血压计测量收缩压(Systolic BP,SBP)、舒张压(Diastolic,DBP)和平均动脉(Mean arterial pressure,MAP)血压的瞬间值。然而,人体血压全天波动很大,且与个人行为、日常习惯和生活方式等相关,因此必须持续定期监测患者的血压,及时对高血压预警和预后护理。

此项研究介绍了一个使用原子级薄石墨烯电子纹身(graphene electronic tattoos,GETs)和生物阻抗(Bioimpedance,Bio-Z)作为测量模式的BP测量数据集。该石墨烯纹身使用了高质量CVD(Chemical Vapor Deposition)石墨烯,并在超薄的200 nm聚甲基丙烯酸甲酯层上制造。石墨烯是一种类似于石墨铅笔内部的碳,这种材料是导电的,电子纹身位于一种粘性、有弹性的材料中,包裹着传感器,长时间佩戴舒适且不会滑动。这意味着它可以通过皮肤传导小电流,并且,这种电子纹身会牢牢粘在皮肤上。通过Hioki LCR IM3536 研究石墨烯-皮肤阻抗,并从手腕上的桡动脉和尺动脉测量Bio-Z。

该设备通过将电流射入皮肤然后分析身体的反应(称为生物阻抗)来进行测量。生物阻抗与血压变化之间存在相关性,血压变化与血容量变化有关。然而,相关性并不是特别明显,因此该团队创建了一个机器学习模型来分析这种联系以获得准确的血压读数。一旦石墨烯薄层捕获原始数据,机器学习算法就会解释信息并以mmHg(用于测量血压的单位)提供结果。使用机器学习回归模型将记录的生物阻抗与BP相关联,从而构建BP监测数据库平台。这个数据库将4通道GET生物阻抗信号与BP和PPG(Photo Plethysmo Graphy)信号共享原始时间数据(图2)。GET用于监测个体(n=7)的动脉血压,每个个体持续300多分钟。在实验过程中,使用医疗级血压监测设备Finapres NOVA测量受试者血压作为对照。试验中,每位参与者均接受了4±1小时的连续血压监测,进行了约2500±600次BP测量,获得18667个数据点(表1)。

图2 石墨烯电子纹身工作原理(图源:[2]

表1 受试者编号、数据收集日期、实验持续时间和在实验中完成活动的所有数据。

数据来源:∣制表:生物探索编辑团队

注:1、Hand Grip Cold Pressor(HGCP):受试者进行握力运动3分钟,缓慢抬高DBP和SBP,然后将手放入冰冷的水桶(cold pressor,CP)中1分钟,以确保BP首先变得更高,然后在4分钟的休息时间里非常缓慢地下降。

2、骑车:受试者进行一组4分钟的自行车骑行跑步机练习,中间休息4分钟。

3、Valsalva:每个Valsalva动作都包括一个受试者捏住鼻子,同时试图用力呼气20-30秒,从而产生广泛的内部压力积聚,提高BR,然后降低,又非常迅速地再次迅速增加。

4、基线:在没有BP更改协议的数据收集开始时。参与者处于休息状态。

5、休息:无BP更改协议。参与者处于休息状态。

研究结果表明石墨烯电子纹身测量血压准确性较高,误差:收缩压为0.2±5.8 mmHg,舒张压为0.2±4.5 mmHg,平均动脉压力为0.1±5.3 mmHg。该研究的合作者德克萨斯大学生物医学工程教授Roozbeh Jafari博士表示“我们不经常测量血压是因为受到血压监测设备的局限,我们也无法准确了解身体血压状况。用于纹身的传感器很小巧,重量轻到无感。你甚至看不到它,它也不会动,且可以在运动、睡觉、工作和就餐等不同情境下保持正常运行。但是,你需要将传感器保持在同一个地方,因为如果你移动它,测量结果就会不同。有了这项新技术,我们将有机会了解我们的血压在白天是如何波动的,将能够量化血压对我们身体的影响。在医学领域,无袖带血压监测是“圣杯”,目前市场上还没有可行的解决方案。使用电子纹身技术将患者从机器中解脱出来,可实现在任何地方都能收集血压数据。医生根据连续血压数据结果,对患者进行个性化护理,这将推动医学进步。”该研究的另一合作者Deji Akinwande博士表示“电子纹身监测到的数据可以创建一个数字孪生模型将人体指标数据化,记录和预测随着时间的推移,人体可能对治疗做出反应。每个人都可以从了解他们的血压记录中受益,这不仅适用于有高血压风险的人,也适用于其他人主动监测个人的健康、压力和其他因素。”

Akinwande的团队正在开发第二代电子纹身,预计将在未来5年内推出。第二代电子纹身体积将更小,且使用蓝牙技术和近场通信(Near-field communication,NFC)传输数据,并与为其供电的智能手表和手机兼容。用于持续血压监测的电子纹身即将进行临床试验,并在不久之后成为主流。

 

原始出处:

Kireev D, Sel K, Ibrahim B, et al. Continuous cuffless monitoring of arterial blood pressure via graphene bioimpedance tattoos. Nat Nanotechnol. 2022 Jun 20. doi: 10.1038/s41565-022-01145-w. Epub ahead of print. PMID: 35725927.

作者:文竞择

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