The Innovation │ 柔性电子：心血管健康监测新趋势！

导 读

心血管疾病（Cardiovascular diseases，简称CVDs）已成为全球范围内人体健康的重要威胁，尤其是随着全球老龄化趋势的加剧，对CVDs的预防和监测至关重要。柔性电子因其连续、无创、实时、舒适等优异特性在CVDs的监测中展现出广阔的应用前景。近日，西安电子科技大学杭州研究院江山、中国医学科学院阜外医院李守军、中国医学科学院阜外医院黄源等人在The Innovation综述了柔性电子在CVDs监测方面的最新研究进展，聚焦于血压、心电图、超声心动图和心外膜四个典型应用场景，并总结了柔性电子之于CVDs临床应用的医工交叉领域的挑战和发展方向（图1）。

图1  柔性电子用于心血管健康与疾病监测示例图

心血管疾病（CVDs），如冠状动脉疾病、中风、心力衰竭、高血压和心律失常等，已成为全球人类最主要的死亡原因之一。根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年约有1790万人因CVDs死亡，约占全球死亡人口总数的31%。随着全球老龄化问题日益严重，CVDs的死亡率预计会继续上升。庆幸的是，早期发现、干预和定期风险筛查可以显著降低CVDs的发病率和致死率。目前，用于筛查CVDs的主要方法是血压、心电图（ECG）、超声心动图和心外膜监测等。然而，用于这些检测的传统医疗器械通常存在体积庞大、难以携带、功能单一和操作繁琐等问题。

柔性电子技术的出现为上述问题提供了全新的解决方式。不同于传统的硅基刚性电子受制于摩尔定律，柔性电子具有轻、薄、柔、小等特性，能够适形于复杂表面，既可以贴在皮肤上（表皮电子），又能够与衣服结合（织物电子），甚至可以植入到人体内（可植入电子）。柔性电子具备无创、连续、原位、实时和舒适监测关键生理信号的能力，在跟踪和监测代谢紊乱、心血管问题和糖尿病等慢性症状方面的表现尤为突出。通过对血压、心电图、超声心动图和心外膜等生理信号的持续有效监测，柔性电子可以检测CVDs的早期指标并提出个性化治疗方案，改善患者的预后。根据其工作机理，柔性电子在CVDs方面的应用可大致分为三类：i）柔性机械电子，利用自身机械变形和弹性波与被测物体的相互作用；ii）柔性光学电子，利用光波与被测物体的相互作用；iii）柔性声学电子，利用声波与被测物体的相互作用。

近年来柔性电子在CVDs的应用研究引起了广泛的关注，取得了许多里程碑式的突破，例如可拉伸超声心动图贴片、自供电式可植入心脏贴片等。不同于此前的许多综述聚焦于概念和功能创新，本文从实际临床需求出发，对柔性电子应用于CVDs的医工交叉研究进行全面的总结，重点介绍了它们在血压、心电图、超声心动图和心外膜四个方面的应用，包括工作机理、发展历程、现有优缺点以及未来发展方向。

血压测量在CVDs监测中是一个简易但又重要的方法，它能够帮助医生和患者早期发现和预防心血管问题，评估风险水平，并监测治疗效果。相较于传统袖带法，柔性电子能够无创、连续、实时地监测血压。目前，柔性电子用于血压监测的器件主要是柔性机械传感器、柔性光学传感器和柔性声学传感器。限于篇幅，此处只展示第一种（图2），对其他方法感兴趣的读者可查阅原文。图2A给出了血压和脉博的测量原理，即通过柔性压力/应变传感器测量血管的舒张变化。图2B-2F是研究者们在提高精度、降低信噪比、抑制伪影等方面的代表性进展。现阶段，柔性机械传感器在脉搏和血压监测方面的临床应用主要受到低灵敏度、运动伪影和高能耗等限制，未来的研究需要首先解决灵敏度和持续性问题，同时降低能耗。

图2 柔性压力/应变传感器测量脉搏和血压

ECG监测是另一种安全、无创、简单且有效的CVDs监测方法，通过测量心脏的电信号来评估心脏的功能和节律。目前，柔性电子主要是借助柔性电极来实现ECG监测。电极种类包括柔性干电极和柔性湿电极，二者的区别在于湿电极需要凝胶/贴片等粘附介质而干电极不需要。湿电极能提供更优的信号质量，但粘附介质存在材料要求高、需要后续清洁等缺点；干电极可直接使用，信号强度更高，但易导致伪影。图3展示了柔性干电极用于ECG监测。研究者仿照树蛙脚垫和章鱼吸盘结构调整电极表面形貌以增强粘附作用并有效抑制伪影（图3A），或是采用分形法设计出超薄、超软的电极并应用于新生儿的ECG监测（图3B）。

图3 柔性干电极用于ECG监测

超声心动图监测是一种非侵入性的心脏检查技术，利用超声波来产生心脏及其各种组成部分的实时图像，以评估心脏的结构和功能，在CVDs监测中有广泛的应用。目前，柔性电子（主要是柔性超声贴片）应用于超声心动图监测最具代表性的成果来自麻省理工学院赵选贺教授于2022年6月提出的生物粘附超声贴片（图4A）及加州大学圣地亚哥分校徐升教授于2023年1月提出的可拉伸超声贴片（图4B）。这两项工作分别展示了柔性超声贴片的两种不同发展路径，前一种通过水凝胶制成的耦合剂将硬质传感探头粘附于皮肤，在器件性能方面更胜一筹；后一种采用本征可拉伸材料制备传感探头，具有更好的穿戴舒适性，这两种发展路径各有千秋。

图4 柔性超声贴片用于超声心动图监测

心外膜监测则不同于上述无创方法，是指直接测量或监测心脏表面生理参数的侵入性方法，在CVDs监测中具有不可取代的作用。作为一种植入式策略，心外膜监测会带来一定的风险，如感染、移位和二次损伤等。因此，柔性电子的生物相容性、生物可降解、无线传输、自供电和多功能等特点，有可能最大限度地减少侵入性风险。图5展示了几种应用于心外膜监测的柔性传感器，这些传感器环绕动脉或附着在心肌表面，输出的电信号可以指示生理和病理心血管状态。

图5 柔性电子应用于心外膜监测

总结与展望

柔性电子颠覆性地改变了传统医疗监测器件、设备和系统的刚性物理形态，使其具有轻薄柔软、可穿戴、可植入和零负荷的优势，实现医学信息与人、物体和环境的高效共融，是未来智慧医疗的信息源头。柔性电子不仅具有匹配环境的可变形特性、轻薄多层的器件集成特性以及柔性芯片与柔性电路的集成特性，还展现出与人体共形贴合的高可穿戴特性等优势。柔性电子在医学上的应用已经是必然的趋势，具有无比广阔的应用前景。本文旨在从实际临床应用的角度激发相关领域研究人员的兴趣和好奇心。为此，本文试图回答以下问题：柔性电子在心血管健康与疾病监测方面可以提供哪些优势？目前还存在哪些限制？如何获得适用于临床应用的合格柔性电子设备？一方面，本文向柔性电子领域研究人员展示了心血管监测临床需求的挑战，另一方面，向其他领域研究人员，尤其是临床医学领域从业者，系统介绍了柔性电子在心血管监测方面所带来的新的可能性。

责任编辑

马    将     深圳大学

戴懿涛      中国科学技术大学

扫二维码｜查看原文

原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00113-3

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第五期以Review发表的“Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring” (投稿: 2023-05-27；接收: 2023-07-23；在线刊出: 2023-07-24)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100485

引用格式：Zhang T., Liu N., Xu J., et al. (2023). Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring. The Innovation. 4(5),100485.

作者简介

江 山，工学博士，西安电子科技大学副教授。主要研究方向为柔性电子、超材料、智能感知等，第一/通讯作者在Advanced Materials、The Innovation、Materials & Design、Carbon、Composite Structures等学术期刊发表SCI论文16篇，其中中科院一区8篇，高被引1篇，出版英文专著1部。主持国家自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费（西电优青储备）、航空科学基金、博士后基金特别资助/面上项目等。以核心骨干参与科技部重点研发计划4项、国家自然科学基金联合基金项目2项、航空院所项目2项等，担任英文期刊Biomaterials and Biosensors执行副主编，国家自然科学基金机械方向函评专家，中科院一区SCI期刊Rare Metals客座编辑，Advanced Functional Materials、The Innovation、Nonlinear Dynamics、《振动与冲击》等20余本国内外学术期刊审稿人。

李守军，现任中国医学科学院阜外医院小儿心脏外科中心主任及小儿外科一病区主任，主任医师，博士生导师，享受政府特殊津贴；兼任中国医师协会胸心血管外科学分会先天性心脏病委员会主任委员；《中华医学研究杂志》、《中国循环杂志》等杂志编委；国际著名杂志《柳叶刀》特邀审稿人；“新世纪百千万人才工程”国家级人选；2011年度协和创新团队带头人；2013年荣获中国名医百强榜先天性心脏病外科TOP10；2019年成为美国胸心外科协会会员；荣获国家科技进步奖2项，北京科学技术奖3项，中华医学科技奖1项。主持“十三五国家重点研发计划”项目、“国家自然科学基金”面上项目、“首都医学发展基金”项目和“首都临床特色应用研究专项计划”项目，承担“十一五、十二五等国家科技支撑计划”子课题、“973计划”子课题等多项国家级和省部级科研课题。在The Lancet Child&Adolescent Health、Microbiome、The Lancet Regional Health-Western Pacific、Journal of thoracic and cardiovascular surgery等期刊发表多篇高水平SCI论文，多次受邀在ESC Congress、AATS、AHA大会作专题发言。

黄 源，医学博士，现就职于中国医学科学院阜外医院心脏外科。主要研究方向为心血管疾病相关的肠道菌群研究，柔性电子材料研究、人工智能与大数据研究、心衰发病机制研究、心血管代谢研究、心血管疾病负担研究等。第一/通讯作者在The Innovation、Microbiome、Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology、World Journal of Pediatrics等国际知名杂志发表多篇高水平SCI论文，累计影响因子IF 90+。同时担任The Innovation杂志青年编委，iMeta杂志执行副主编，MedComm杂志学术编辑，主持国家自然科学基金青年项目1项，主持中央高水平医院临床科研业务费基金1项。

张天琪，北京师范大学理学博士，现为西安电子科技大学博士后。主要研究方向为聚合物薄膜制备、柔性传感器制备、心血管疾病监测等，博士期间负责体外肺膜氧合（ECMO）核心部件开发工作。以第一作者在Chemical Engineering Journal、European Polymer Journal、ACS applied polymer materials、膜科学与技术等期刊发表多篇论文。

往期推荐

	智慧医疗新突破：可穿戴柔性超声贴片

	转移印刷全有机柔性光电探测器

	石墨烯纤维助力柔性智能传感

	面投影增材制造技术的突破：从新型加工策略到前沿应用

	超分辨结构光照明显微技术的高速无伪影图像重构

	仿神经元器件：传感材料推动脑机化学交互

	织物计算：无处不在的织物所驱动的计算新范式

	柔性电子器件与生物组织的融合又迈进了一步

期刊简介

扫二维码 ｜ 关注期刊官微

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球55个国家；已被136个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录。2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

期刊官网：

www.the-innovation.org

www.cell.com/the-innovation

期刊投稿（Submission）：

www.editorialmanager.com/the-innovation

商务合作（Marketing）：

[e-mail]

Logo｜期刊标识

See the unseen & change the unchanged

创新是一扇门，我们探索未知；  

创新是一道光，我们脑洞大开；  

创新是一本书，我们期待惊喜；  

创新是一个“1”，我们一路同行。

The Innovation 姊妹刊

The Innovation