皮肤自适应聚焦柔性微机械超声传感器阵列用于可穿戴心血管健康监测

心血管疾病(CVDs)是全球主要死因，现有监测技术因设备笨重僵硬难以实现长期连续监测。西安交大团队开发出自粘附皮肤共形超声传感器阵列(SAFU)，采用MEMS兼容工艺制备2.4 MHz柔性换能器，通过皮肤自适应聚焦超声技术实现多血流动力学参数(血压波形、心率、动脉硬度)精准监测，临床验证显示其可穿透30 mm组织，信噪比达30.1 dB，为心血管疾病早期预警提供创新解决方案。

　　

心血管疾病(CVDs)已成为威胁人类健康的"头号杀手"，每年导致全球1700万人死亡。传统血压监测技术面临严峻挑战：袖带式血压计干扰日常活动，光电体积描记法(PPG)难以检测深层动脉，而刚性超声探头无法与皮肤紧密贴合。更棘手的是，心血管疾病早期症状隐蔽但爆发迅猛，亟需能长期连续监测血流动力学参数的可穿戴设备。

西安交通大学研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表突破性成果，开发出全球首款皮肤自适应聚焦柔性超声传感器阵列(SAFU)。这项研究通过三大技术创新攻克了行业难题：首创全阵列皮肤自适应聚焦超声技术(SAFU)，利用皮肤天然曲率实现声束自动聚焦，无需复杂相位控制电路；开发MEMS兼容制造工艺，使6×6阵列谐振频率标准差仅0.0236 MHz；采用自粘附水凝胶界面层，声阻抗匹配度达1.5-1.8×10⁶ Pa·s/m，剥离力保持1.1 N/cm(24小时)。

关键技术包括：1) 建立声场理论模型优化阵列参数，实现2.1-4.6 mm波束宽度和3.3-53 mm探测深度；2) 飞秒激光加工PZT-5H压电单元(0.7×0.18 mm)与蛇形电极；3) 临床验证采用健康志愿者与高血压患者对照，通过Verasonics Vantage系统校准。

【工作原理与结构设计】

SAFU阵列通过时间飞行法(TOF)检测血管搏动，相比单振元方案声压提高10.8倍。理论模拟显示，曲率半径10-60 mm时，-6 dB波束可覆盖人体主要血管(图1H)。蛇形电极设计使阵列拉伸率超60%，满足皮肤30%形变需求。

【MEMS工艺制备】

飞秒激光刻蚀(功率10.02 W)实现PZT单元精确定位，磁控溅射制备Ti/Au(30/200 nm)顶电极。阻抗测试显示阵列间一致性误差<1%(图2D)，水凝胶界面使回波电压提升181%。

【多血管血压监测】

在桡动脉检测中，收缩压(SBP)和舒张压(DBP)误差仅±2.48/±1.99 mmHg(图3B)。24小时监测成功捕捉晨间血压高峰(图3H)，对BMI 25.8-30.2人群均适用。

【运动状态监测】

运动员在深蹲运动时心率恢复速度比普通人快3倍(图4B)，反向休克指数(RSI)差异达0.64 mmHg/bpm(P<0.05)，反映更强心脏功能。

【动脉硬度评估】

高血压患者β指数(13.09)显著高于健康人(9.90)，脉搏波速度(PWV)差异达3.52 m/s(图5A)。老年人血管顺应性(PI)比青年人低43%(图5E)。

这项研究开创了柔性超声监测新范式，其2.4 MHz工作频率(-6 dB带宽47%)在保持3%测量精度同时，穿透深度突破30 mm。临床数据显示，该技术可识别晨间高血压、运动后血压恢复异常等心血管风险指标，为可穿戴医疗设备发展提供了全新思路。未来通过集成无线模块与自适应校准算法，有望实现真正的"无感化"健康监测。