综述：可穿戴心血管监测系统：技术进展、应用与未来展望

《npj Cardiovascular Health》：State-of-the-art wearable sensors for cardiovascular health: a review

本综述系统梳理了可穿戴心血管监测领域的最新进展，涵盖物理传感器（如PPG、ECG、血压传感器）、成像技术（如柔性超声贴片）和生化传感器（如血糖、胆固醇传感器）。文章重点探讨了基于多模态数据融合的早期预警系统和闭环治疗系统（如糖尿病管理）的开发，并分析了在舒适性、传感精度和系统集成方面的挑战与未来方向，为心血管疾病（CVD）的实时、个性化管理提供了重要见解。

　　

脉搏波传感器

脉搏波测量是评估心血管健康的关键诊断工具，通过分析脉搏波传播速度（PWV）等参数来反映血管僵硬度。脉搏波分析（PWA）则可提供心率变异性（HRV）等洞察，反映自主神经系统功能。

光学传感器用于脉搏波

光电体积描记法（PPG）是一种广泛使用的光学技术，通过发光二极管（LED）发射光穿透皮肤，光电探测器（PD）检测被血液调制后的反射或透射光信号，从而提取心率、脉搏波形和血氧饱和度（SpO₂）等生理参数。PPG波形包含反映组织结构和平均血容量的直流（DC）分量，以及反映心脏引起的血容量变化的交流（AC）分量。

透射式PPG传感器（如指夹式）光路穿过组织，信噪比（SNR）高，测量更准确，但通常有线且笨重，不适合全天候监测。反射式PPG传感器（如腕戴设备）将光发射到皮肤并检测反射信号，更易于集成到可穿戴设备中实现长期无线监测，但SNR和信号保真度较低，易受环境光、运动和肤色（如黑色素吸收）干扰。

多光源PPG传感器通过使用多个波长（如红光和绿光）的光源，能够提高信噪比、减少运动伪影，并利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对不同波长光的吸收差异，实现血氧饱和度的精确计算和二维映射。例如，基于有机发光二极管（OLED）和有机光电探测器的柔性传感器阵列可生成前臂在缺血条件下的二维氧合图。自供电技术（如集成有机太阳能电池）有助于解决PPG传感器能耗高的问题，实现超柔性、自供电的光学系统。

尽管PPG传感器广泛应用，其信号仍易受皮肤温度、肤色、体力活动和光照条件等因素影响。对于低血压或血液循环受损的患者，PPG可能难以捕获有效的生理信号。未来需在设备微型化、灵活性以及针对特殊人群的适用性方面取得进展。

压力传感器用于脉搏波

压力传感器通过检测心跳时血管壁周期性扩张和收缩传递到皮肤表面的压力变化，将其转换为电信号，从而提供丰富的血管信息。其原理类似于中医的脉诊。

基于工作原理，压力传感器可分为电阻式、电容式、磁弹性式、压电式和摩擦电式等。

电阻式压力传感器依赖外部压力下材料内导电通路结构的变化引起电阻改变。采用金字塔、微球等微结构可增强其对微小压力变化的灵敏度。

电容式压力传感器通过测量导体间电容变化来感知压力，响应速度快，受温度影响小，但可能引入非线性，需要复杂的数据处理。

磁弹性传感器等基于磁效应的传感器利用机械变形引起的磁场变化，具有高耐久性和可靠性。例如，柔性纤维制成的磁弹性发生器可将动脉搏动转化为电信号，甚至能在汗湿皮肤或水下工作。

自供电压力传感器（如压电或摩擦电式）能缓解连续监测的能量约束。压电传感器可检测人体桡动脉的微小振动，但面临热敏感性和静态压力测量能力有限的挑战。摩擦电传感器基于接触起电效应，具有灵活、成本低的优点，但需提高稳定性和线性响应。运动伪影是脉搏检测中的常见挑战，基于kirigami结构的高灵敏度、保形压力传感器可在运动过程中测量脉搏波，并集成到无线心血管监测系统中。

心电图传感器

心电图（ECG）监测对于心血管健康管理至关重要，有助于检测心律失常、心肌缺血、急性心肌梗死等心脏问题。传统心电图需要多个体位的粘性电极连接记录器，不适合舒适的长期监测。可穿戴电子设备通过将电极与能够自主传感和数据处理的先进系统集成，实现了 prolonged、舒适的心电图监测。ECG传感器主要可分为湿电极、干电极以及新兴的非接触式ECG技术。

湿电极用于ECG

湿电极因其含有水分，可降低接触阻抗，从而减少信号干扰，提高信号质量。长期可穿戴设备面临的挑战包括水分蒸发、皮肤适应性以及在复杂环境（如水下、高温）下的稳定数据测量。实现电子设备与皮肤的无缝集成同时让皮肤自由呼吸是一个普遍挑战。超薄水凝胶电极可贴合皮肤轮廓，具有高水蒸气渗透性、机械顺应性和生物相容性，使用期可超过一周。用于水下ECG监测的防水电极，通过金属-聚合物复合基底和多巴胺聚合物涂层，可在水生环境中实现可靠的心电信号采集，支持游泳时的心脏监测。弹性导电纳米复合材料使用水凝胶作为能量耗散界面，显著增强了拉伸性，可用于制造多功能可穿戴传感器和心脏贴片。

干电极用于ECG

干电极因无需导电凝胶、使用方便、减少皮肤刺激、便于携带和存储等优点而日益受到关注。但其性能受限于体力活动和出汗时与皮肤的贴合性不佳，导致阻抗增加和运动伪影。确保舒适、长期的皮肤接触同时保持高质量信号采集是关键挑战。本征导电聚合物干电极具有优异的自粘附性、延展性和导电性，可在干燥/潮湿皮肤及运动等多种条件下可靠采集ECG、EMG和EEG信号。受树蛙趾垫和章鱼吸盘生物结构启发开发的仿生皮肤贴片，通过章鱼吸盘状结构在电极和接触表面之间形成真空腔，物理增强吸附力，具有良好的生物相容性、高透气性、优良排水性和增强的粘附力，即使在出汗或接触水时也能保持改善的皮肤接触。

非接触式ECG传感器

非接触式ECG监测代表了心脏信号检测的前沿进展，利用电容耦合通过头发、织物和绝缘体等中间层测量ECG信号。与传统接触电极不同，非接触式电容电极无需电线和粘性电极，提供更便捷、舒适的记录方式。采用低表面电阻的聚合物泡沫可增强身体和电极表面之间的电容耦合，实现高信噪比的非接触ECG记录。非接触睡眠ECG系统使用电容耦合和柔性电极阵列通过睡衣和床单捕获信号，实现高信噪比并准确提取呼吸波。通过衰减补偿机制实时校准织物成分和界面条件的变化，可改善信号质量。非接触ECG消除了直接皮肤接触的不适和皮肤刺激，尤其适用于老年人和皮肤病患者。尽管目前面临环境噪声和电磁干扰的挑战，持续的技术进步预示着非接触ECG在心脏健康监测中的未来。

血压传感器

血压（BP）监测对心血管健康至关重要，因为高血压是心脏病、中风和心力衰竭等疾病的主要风险因素。定期评估血压有助于高血压的早期发现和管理，降低心血管事件风险。临床常用的血压测量技术包括示波法、听诊法和有创动脉导管术，这些方法虽临床验证准确，但不适合长期、无创、舒适的血压监测。连续监测血压波动对于有效的个人健康管理和心血管疾病预防至关重要。目前，华为、CNSystems和三星等公司已开发出基于示波法、血管卸载技术和PPG的可穿戴血压监测设备。然而，在测量精度、长期使用舒适度以及频繁校准的必要性方面仍存在挑战。基于超声、压力传感器和多信号分析等新原理的血压测量技术因其潜在优势而受到关注。

超声传感器用于血压

超声传感器广泛用于血流动力学监测和医学成像，利用压电换能器将电信号转换为超声脉冲。动脉横截面积的变化是血压的可靠指标。与传统非侵入性方法（如PPG）仅限于浅表血管系统不同，超声可以获取颈动脉、颈静脉等深层血管的中心血压波形，这对降低心血管死亡率至关重要。传统的超声探头存在笨重、刚性问题，阻碍了与组织表面的稳定耦合，限制了长期连续监测。可穿戴设备能够贴合皮肤轮廓，实现从深部动脉和静脉部位无创、连续监测心血管参数。通过重新设计换能器阵列并添加背衬层，可以增强对准精度和动脉壁检测的准确性，获得的血压波形与传统的袖带测量结果高度吻合。超声血压传感器能提供其他传感器类型无法实现的深部血管波形，特别适合连续、长期监测。然而，设备设计和信号处理的复杂性，以及皮肤厚度、组织成分和环境因素的潜在干扰可能影响准确性。尽管存在挑战，可穿戴超声传感器在实时、动态血压监测和临床决策方面具有巨大潜力。

压力传感器用于血压

与超声设备相比，压力传感器设计更简化、成本效益高、信号处理直接，在连续血压监测方面前景广阔。使用压力传感器测量血压的主要方法是脉搏波分析（PWA）和张力测定法。PWA评估脉搏波形态和速度，张力测定法测量不同静态压力下的脉搏波强度以确定动脉内外的平衡压力。然而，由于缺乏将传感器信号转换为血压值的精确传递函数以及测量精度的临床验证不足，这些方法的准确性存在争议。可穿戴压电血压传感器（WPBPS）结合线性回归传递函数，可将传感器信号转换为血压读数，与商业血压计相比差异较小。集成到手表中的设计突出了其在心血管诊断中便携、连续血压监测的潜力。中医脉诊提示动脉搏动中存在潜在的生理信息。基于传感器的数据采集和分析算法可能有助于验证其科学基础。柔性压力传感器阵列与自适应腕带系统集成，通过机器学习模型能够精确识别脉搏特征和血压指标。尽管压力传感器在连续血压监测方面有前景，但其准确性仍受组织成分、传感器位置和施加于传感器的静态压力等因素影响。

多传感器分析用于血压

脉搏传导时间（PTT）和脉搏到达时间（PAT）是评估心血管健康的关键参数，反映了血压对脉搏波传播的影响。两者都需要使用多个传感器和分析来自阻抗体积描记法（IPG）、ECG、PPG、心冲击描记法、 seismocardiogram 和压力传感器等模态的信号。PAT代表脉搏波从心脏到达远端部位的时间，而PTT测量的是近端和远端部位（如手臂和手指）或两个远端部位（如手指和脚趾）之间检测到脉搏的时间。血压波动影响脉搏波速度（PWV）：血压升高会因动脉顺应性降低而增加波速，反之则减慢波速。PTT和PAT通常使用ECG和PPG传感器测量。然而，传统系统需要多根电缆和刚性传感器，可能对敏感皮肤（尤其是婴儿）有害。超薄、柔性、无线表皮电子设备可实现ECG和PAT测量。柔性表皮近红外PPG传感器集成低功耗有机光晶体管和无机发光二极管，与商业袖带式PPG传感器相比，收缩压和舒张压的平均绝对差异小于5 mmHg，显示出高准确性。IPG是一种评估外周动脉阻抗的创新无创技术，与动脉横截面积相关，是血压调节的关键因素。基于IPG的血流监测系统可成功估算各种条件下的血流动力学参数。IPG用于测量PTT和估算血压的可行性已得到证实，结果与医疗级设备高度一致。尽管基于PTT和PAT的多传感器方法前景广阔，但其准确性受生理状态动态特性的影响，需要频繁重新校准以实现精确的血压估计。

血流传感器

动脉粥样硬化性狭窄、血栓形成、栓塞、动脉瘤样扩张和瓣膜反流等心血管病变不仅影响心率和血压等生命体征，还会导致心腔和血管系统的显著血流动力学改变。这些情况通常在发展为危急急症之前无症状，难以被发现。因此，检测血流动力学变化对于早期诊断和预防至关重要。在重症监护和手术期间，血流动力学监测为选择和调整治疗策略提供关键指导。当前临床实践中，无创方法（如超声心动图和基于脉搏波的无创心输出量监测）主要用于一般患者的血流动力学评估。对于危重患者，通常采用有创方法，如动脉导管术、中心静脉导管和肺动脉导管。然而，这些方法都不适合连续、常规监测。因此，开发高精度的紧凑、便携、可穿戴血流传感器对于有效的心血管健康管理至关重要。目前，用于血流监测的可穿戴设备主要利用热分析和基于多普勒的原理，包括超声、激光和光声技术。

热分析用于血流

基于热传导和温度变化的原理，通过监测血流对热场的影响来推断血流速度和血流量。对血管或组织施加热源后，周围的血流会改变热传递和分布，从而允许间接估算血流速度。血流增加会提高传热效率，导致与静态条件下可测量的温度变化。热成像分析的应用包括评估血管功能、评估血管顺应性和反应性、监测肿瘤血液供应，以及促进与各种病变引起的血流改变相关的心血管研究。在可穿戴热分析设备中，温度采集模块至关重要。有效集成灵敏、紧凑的温度传感器对于这些分析工具的性能至关重要。超薄柔性表皮传感器技术可贴合皮肤，实现毫开尔文精度的连续热表征，实现组织热导率的定量评估。该技术为了解血流和灌注的时间动态提供了见解，为先进的宏观和微观血管流动评估奠定了基础。临床研究证实了该传感器区分基线血流、减少的血流和远端分流失败的能力。然而，热分析设备的部署会因在皮肤上的放置差异而引入测量误差。高精度、长期表皮血流传感器可通过适应这些变异性来显著提高信噪比，在临床前验证中与多普勒超声相比表现出良好相关性。尽管可行，热分析具有局限性，包括仅能提供流速的相对变化，并且其监测范围局限于浅表血管系统。此外，该技术的空间分辨率相对较低，难以获得小血管或组织区域内血流变化的精确数据。

基于多普勒的传感器用于血流

多普勒效应是指由于波源和观察者之间的相对运动而导致观测到的波频率发生变化的现象，在声学、光学和电磁波中均有应用。利用此效应的血流传感器包括声学多普勒、激光多普勒和光声多普勒传感器。激光多普勒测速仪原理是利用激光照射血流，以运动的红细胞作为散射体。散射光频率根据外周动脉中红细胞的速度（v）发生变化，产生频移。频移f_shiftencapsulate了v的波动，而f_shift的极性指示血流方向（朝向或远离传感系统）。

激光多普勒传感器特别适用于微循环血流测量，例如外周动脉疾病（PAD）。PAD是一种常见疾病，会使动脉狭窄并减少流向四肢的血液，增加心血管疾病风险。紧凑型可穿戴监测系统利用多普勒效应和光电传感技术，通过避免使用光学滤波器或光纤来最小化动态伪影，实现PAD患者的独立血流监测。为了解决传统流量计通常笨重且对运动敏感的局限性，基于微机电系统（MEMS）的可穿戴激光多普勒流量计可在体力活动期间稳定捕获信号，对低速血流检测表现出卓越的灵敏度，但其穿透深度限于浅表组织，且受环境因素影响。

超声多普勒传感器工作原理类似，利用高频声波监测血流。散射波的频移提供关于血流速度的信息，甚至可来自深层组织。贴肤的超声相控阵能够监测深达14厘米的血流动力学信号，捕获健康志愿者的多普勒频谱和中心血流波形。然而，最佳多普勒角对于准确的速度评估应在60度以下，随着角度接近90度，精度会降低。可拉伸超声设备采用双波束多普勒技术来抵消角度效应，优化用于连续监测深部动脉的血流速度。超声多普勒设备的卓越穿透能力允许实时监测血流动力学，但与其他成像模态相比空间分辨率较低，尤其在穿透骨骼成像时。

光声多普勒传感是一项结合光声效应和多普勒原理的新兴技术。该方法中，入射到血流上的激光脉冲被红细胞吸收并引起热膨胀，产生超声波。柔性光声“听诊器”使用微透镜阵列和压电聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜进行声学检测，能够连续、无创监测缺氧和血流动力学等心血管生物标志物。尽管该技术集成了声学和光学多普勒设备的优点，但仍面临挑战，包括不同组织的吸收和散射效应会影响数据准确性。此外，光声成像需要先进的信号处理，并可能受成像速度限制，但其在生物医学应用中的潜力巨大。

超声成像传感器

成像技术在评估心血管健康和诊断相关疾病中占据核心地位。它能够以无创、清晰的方式显示心脏结构、血管形态和血流动力学特征，为医生提供细致入微且直观的诊断基础。此外，该技术能够实时监测心脏功能，有助于及时发现和预警潜在心血管风险，从而为制定精准治疗方案、评估治疗效果和预后提供有力支持。在众多成像模态中，计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和超声成像构成了心血管成像的基石。CT通过旋转X射线投影重建3D图像，精确描绘血管细节。MRI利用磁场和射频波共振，无创地呈现心脏的整体结构和功能景观。而超声成像利用超声波反射技术实时监测心脏运动和血流动力学，是心脏疾病筛查和随访的基础。值得注意的是，无创性、实时成像能力、操作相对简便、价格相对低廉以及应用范围广泛等优点，共同使超声成像技术成为医疗从业者的诱人选择。

近年来，便携式超声成像技术对于旨在实时可视化心血管及其他组织和器官结构的研究工作具有重要意义。超声成像传感器通过微型化柔性探头实现连续无创监测。例如，可穿戴超声贴片可以动态评估左心室射血分数和血流动力学参数，克服了传统超声需要固定部位、仅限于单次检查的局限性。其临床相关性在器官功能的实时围手术期监测（如房颤消融术后疗效评估）中得到证明。与传统超声设备相比，可穿戴设计支持运动过程中的连续成像，减少运动伪影的干扰，提高数据可靠性。一种创新的可穿戴超声设备专为促进心脏功能的连续、实时和直接评估而设计。基于共晶镓铟液态金属与SEBS复合材料的高密度多层可拉伸电极，显著改善了设备与人体皮肤的机械耦合，即使在体育锻炼期间也能从不同角度有效检查左心室。尽管取得了这些进展，但在设备的穿透深度和空间分辨率方面仍需进一步增强。可拉伸超声阵列能够对皮下4厘米深度的组织进行连续无创弹性成像测量，空间分辨率为0.5毫米。这些研究在长时间运动过程中内脏器官的连续成像方面仍面临障碍。可拉伸柔性超声探头的变形，加上皮肤的动态轮廓，会引入传感单元相对定位的扰动，从而影响成像过程的精度。生物粘附超声（BAUS）设备包含一个薄的刚性超声探头，通过由柔软、坚韧、抗脱水和生物粘附的水凝胶-弹性体混合材料配制的耦合剂牢固地粘附在皮肤上。BAUS耦合剂能有效传输声波，使BAUS探头与皮肤变形隔离，并在48小时内保持强大而舒适的皮肤粘附。

除了直接监测心血管系统外，其他组织和器官的健康状况也会直接或间接影响心血管健康。可穿戴超声成像已广泛应用于脑血管及其他关键器官和组织的监测，包括乳腺和膀胱，突出了其在临床实践中的多功能性和实用性。这种整体检测和管理方法有助于有效降低心血管意外及其后遗症的风险谱。这些设备提供实时数据，以辅助疾病的临床管理，实现更精确的状况评估和个性化治疗方案的制定。一种共形超声贴片专为免提容积成像和脑血流连续监测而设计。该贴片利用2 MHz超声波有效减轻颅骨引起的衰减和相位畸变。此外，铜网屏蔽确保共形皮肤接触并将信噪比提高5dB。基于倏逝波的超快超声成像技术，能精确呈现Willis环的三维形态，最大限度地减少检查过程中的人为错误。同时，一种可穿戴、合身的超声乳腺贴片（cUSBr-Patch）促进了整个乳房的标准化和可重复图像采集。该贴片的设计受天然蜂窝状结构启发，与易于操作的跟踪器引导的相控阵技术集成，提供大面积、深度扫描和多角度乳腺成像能力。此外，一种共形超声膀胱贴片由多个嵌入可拉伸基底中的相控阵组成，实现了机械坚固、共形的体内容积器官监测。使用该贴片估算的膀胱体积与标准临床超声设备获得的结果相当