综述：心跳电语言：探索压电技术用于心血管健康监测

这篇综述系统阐述了压电（piezoelectric）技术在心血管健康监测中的前沿进展，涵盖从0D到3D的压电材料设计、可穿戴/植入式平台集成，以及基于脉搏波速度（PWV）、无袖带血压（BP）监测等多参数应用，同时探讨了人工智能（AI）与物联网（IoT）融合的智能化诊疗前景。

　　

引言

心血管疾病（CVDs）是全球发病率和死亡率的主要原因，2021年导致约2050万死亡病例，占全球总死亡人数的31%。传统监测技术如心电图（ECG）和光电容积描记术（PPG）存在运动伪影、基线漂移等局限，而压电传感器凭借其高灵敏度（如PVDF材料达173 mV/mmHg）、自供电特性及机械柔性，成为新一代心血管监测的核心技术。

压电心血管传感的基础

压电效应指非中心对称材料在机械应力下产生表面电荷的现象，具有机电双向转换特性。材料维度从0D（如ZnO量子点）到3D（如PZT陶瓷）各具优势：0D材料界面极化效应显著，1D纳米纤维（如PVDF）定向响应灵敏，2D材料（如MoS₂
）兼具超薄与柔性，而3D架构则适合能量收集。例如，GaN纳米线阵列在植入式传感中表现出稳定输出，而PVDF/HFP复合支架可同步实现血流监测与组织再生。

动脉健康评估

植入式传感器：如PVDF薄膜包裹猪主动脉，实现173 mV/mmHg高灵敏度血流监测；3D打印压电血管支架通过锯齿结构增强压力耦合，灵敏度达7.02×10^–4
V·Psi^–1
。
可穿戴设备：微结构PVDF电子皮肤可连续一周追踪脉搏波形，而GaN基表面声波（SAW）传感器无需芯片即可无线捕获脉搏信号。超声技术如5 MHz压电微机械超声换能器（PMUT）阵列可精确测量桡动脉壁运动，误差<5%。

无袖带血压监测

单点测量：PDMS封装PVDF传感器灵敏度达0.062 kPa^-1
，而MXene/P(VDF-TrFE)异质层状材料通过热压工艺实现39.3 mV·kPa^-1
输出。
双点PWV法：基于Moens-Korteweg方程，柔性双探头传感器通过脉搏波到达时间差（Δt）计算PWV，结合XGBoost算法使血压预测误差<5 mmHg。例如，PVDF薄膜结合弹性介质可稳定映射PWV与血压关系，临床验证显示与电子血压计高度一致。

心肺功能多参数监测

压电传感器可同步捕获心音、呼吸振动等信号。例如：

• 弯曲PVDF贴片通过结构设计将呼吸信号检测效率提升151%；
• ZnO纳米管/石墨烯传感器灵敏度达-4.4 kPa^?1
  ，可识别睡眠呼吸暂停；
• 纤维素纳米晶（CNC）基热-压电纳米发电机兼具机械能与热能收集功能，适用于心肺耦合分析。

心脏功能多模态融合

压电技术与ECG、SCG（心震图）信号融合可提取心脏时间间隔（如STI）。例如：

• 仿生电子纹身同步记录ECG与SCG，发现STI与血压呈负相关；
• P(VDF-TrFE)/KNN/GR复合膜心脏音传感器结合RepMLP模型，实现93.2%房颤识别准确率。

智能监测系统

AI驱动：CNN模型分析脉搏波形可诊断9类心血管疾病，RNN算法通过PWV时序特征提升血压预测稳定性。
物联网集成：NFC供电的 epidermal电子系统实现ECG-SCG同步采集；BLE传输的PVDF传感器数据可通过智能手机实时预警。

挑战与展望

当前瓶颈包括：

1. 材料：需开发无铅（如BaTiO₃
   替代PZT）、可降解（如PLGA封装）材料；
2. 封装：多层阻隔结构（如PDMS/聚酐）需平衡生物相容性与信号保真度；
3. 临床转化：需大规模验证压电血管支架（如3D打印PVDF/PCL）的长期安全性。

未来方向聚焦Janus材料、被动无线传感（如GaN SAW）及AI赋能的边缘计算，推动心血管监测向个性化、智能化发展。