基于柔性氮化铝压电传感器的无创同步实时监测心冲击图、血压波及心音的新方法

本研究针对心血管疾病监测设备昂贵、笨重且功能单一的问题，开发了一种基于柔性AlN压电传感器的创新系统，可同步采集BCG、BPW和心音信号。研究实现了从四个动脉部位同步提取27项心血管参数（包括CAVI=6.8±0.3），证实了该技术在家庭健康监测和疾病预防中的巨大应用潜力。

　　

心血管疾病和慢性呼吸系统疾病是全球死亡的主要原因，传统医院监测设备虽然可靠但价格昂贵、体积庞大且需要专业人员操作。尽管可穿戴技术取得了进展，但现有设备仍存在诸多局限：多数采用有毒的锆钛酸铅(Pb[Zr_xTi_1-x]O₃, PZT)材料，缺乏生物相容性；通常只能单一监测生物参数而非同步监测；且往往需要腰带固定，给使用者带来不适。

为解决这些挑战，意大利技术研究院的研究团队开发了一种基于氮化铝(AlN)的柔性压电传感器。这种传感器具有超薄(1μm厚AlN层)、柔性(25μm厚Kapton基底)、生物相容且无毒的优异特性，能够同时监测心冲击图(BCG)、血压波(BPW)、心音和呼吸频率，为心血管健康监测提供了全新解决方案。

研究人员采用标准微加工技术（包括光刻和溅射沉积）制备传感器，使用皮肤安全的Derma-Tac?粘合剂将传感器贴附于四处动脉部位：颈动脉、肱动脉、桡动脉和胫后动脉。通过Kistler电荷放大器和Tektronix示波器处理信号，同步使用Olimex Shield-EKG-EMG采集ECG信号。利用MATLAB R2024b进行带通滤波和信号积分处理，从两名健康受试者（28岁男性和34岁女性）获取数据，所有测量均在静息状态下进行。

3. Results and discussion

研究表明，该传感器能同时提取多种生理信号：通过0.2-0.4Hz滤波获得呼吸信号（除胫后动脉外均能检测）；通过0.8-2Hz滤波获得心率信号（所有动脉均适用）；通过5-10Hz滤波获得BCG波形，显示典型的H-I-J-K-N波型；通过20-40Hz滤波获得心音（仅颈动脉和肱动脉清晰可辨）；通过积分运算获得BPW波形。

测量参数系统分析

通过同步ECG测量，研究人员计算出27项心血管参数：包括心率变异性（RMSSD和SDNN）、BCG时间间隔（τ_IJ, τ_JK, τ_IK）、心音持续时间（τ_S1, τ_S2）以及脉搏波速度（PWV）。特别值得注意的是：

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  从桡动脉和肱动脉BPW计算的反射指数(RI)和平均动脉压(MAP)值符合健康标准
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  stiffness index(SI)值在肱动脉、桡动脉和胫后动脉分别为7.6±0.2m/s、6.9±0.5m/s和5.1±0.2m/s
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  心-踝PWV计算的CAVI值为6.8±0.3，表明血管健康状况良好

多部位监测对比

研究发现信号特征随动脉部位变化：τ_RJ（ECG R峰到BCG J波时间）从颈动脉的137±4ms增加到胫后动脉的346±6ms；心音仅在颈动脉和肱动脉清晰可辨；所有PWV值均与文献报道的健康人群数据一致。

4. Conclusions

该研究开发了一种基于Mo/AlN/Mo结构的柔性压电传感器，首次实现了BCG、BPW和心音的同步监测。与ECG对比验证表明，该传感器在心率和心率变异性监测方面与传统ECG等效，但具有明显优势：可多部位应用、无需胸部电极、更加舒适。通过同步监测27项心血管参数，该技术为家庭健康监测和心血管疾病预防提供了突破性解决方案，有望推动个性化医疗发展。

该研究成果发表于《Biosensors and Bioelectronics: X》，为可穿戴医疗设备领域带来了创新突破，展示了无创、多参数同步监测技术在健康管理和疾病预防中的巨大潜力。