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清華大學(xué)張瑩瑩團(tuán)隊《Sci. Adv.》：深度學(xué)習(xí)賦能可穿戴傳感器實現(xiàn)面向普通用戶的血壓和心功能連續(xù)監(jiān)測
2023-08-15  來源：高分子科技

  心血管疾病每年造成數(shù)千萬人死亡，是威脅人類壽命的主要疾病之一。連續(xù)可靠地監(jiān)測血壓和心臟功能對于診斷和預(yù)防心血管疾病至關(guān)重要。然而現(xiàn)有的心血管監(jiān)測技術(shù)通常體積龐大且成本高昂，限制了其在疾病早期診斷和長期監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用。因此，迫切需要發(fā)展實時、精準(zhǔn)并適用于連續(xù)監(jiān)測的便攜式心功能監(jiān)測技術(shù)。


  脈搏波是一類重要的生理健康指標(biāo)，可直接反映人體心血管狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用于疾病的診斷和治療。然而對于普通用戶，通過脈搏波獲取心血管狀態(tài)存在兩大困難：1. 橈動脈的精準(zhǔn)定位。非醫(yī)學(xué)專業(yè)的人群，特別是脈搏較弱的人群，很難精準(zhǔn)定位橈動脈位置以獲取準(zhǔn)確可靠的脈搏波信號。2. 解讀脈搏信號以獲取心血管狀態(tài)。近年來，人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)蓬勃發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)對可穿戴電子設(shè)備采集的生理信號進(jìn)行挖掘和解讀，有望極大提升可穿戴電子設(shè)備在健康和醫(yī)療診斷中的應(yīng)用價值。


  清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩團(tuán)隊長期致力于發(fā)展面向健康和生命監(jiān)測的柔性可穿戴電子材料與智能裝備。近日，該團(tuán)隊將柔性應(yīng)變傳感器陣列與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，構(gòu)建了適用于普通用戶的無需精確定位的智慧血壓和心功能健康監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）。首先以碳化蠶絲織物為活性材料，構(gòu)建了柔性可穿戴應(yīng)變傳感器陣列，該傳感器兼具高線性度（擬合系數(shù)：0.9996）、高靈敏度（靈敏度：9.81）、高可拉伸性（應(yīng)變范圍：200%）、快速響應(yīng)（40 ms）和快速恢復(fù)（80 ms）的優(yōu)點（圖2）；谏鲜隹纱┐鱾鞲衅麝嚵校胀ㄓ脩糁恍鑼⑵浞旁谠谕蟛，即可獲得系列脈搏波信號（圖3），通過深度學(xué)習(xí)算法可自動篩選出高精度脈搏波信號用于進(jìn)一步分析；然后，通過深度學(xué)習(xí)算法深入挖掘脈搏特征信息，實現(xiàn)了對血壓和心功能參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測，其中對血壓的預(yù)測平均絕對誤差小于1 mmHg（圖4）。進(jìn)一步，作者構(gòu)建了集信號采集、分析、顯示、預(yù)警于一體的可穿戴式智能心血管監(jiān)測系統(tǒng)（圖5）。


圖1 可穿戴式智能心血管監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成與工作機(jī)制。(A) 貼附在手腕上的柔性穿戴傳感器陣列的示意圖和實物照片。(B) 應(yīng)變傳感器陣列和碳化蠶絲織物的結(jié)構(gòu)示意圖和掃描電鏡照片。(C) 通過應(yīng)變傳感器采集橈動脈脈搏的原理示意圖。(D) 健康人的橈動脈脈搏詳細(xì)分峰及其對應(yīng)信息。(E) 用于血壓和心功能參數(shù)分析的深度學(xué)習(xí)模型。 


圖2 柔性可穿戴傳感器陣列的機(jī)電響應(yīng)和無需精確定位能力分析。(A) 傳感器的電阻~應(yīng)變響應(yīng)性能。(B, C) 按壓應(yīng)變傳感器陣列不同位置時電阻的相對變化。(D) 傳感器陣列在無需精確定位的情況下可精準(zhǔn)采集脈搏波的原理示意圖。(E) 按壓傳感器陣列中心時的變形分布。(F) 按壓傳感器陣列中心時不同傳感器的變形程度。 


圖3 傳感器陣列在采集高精度脈搏并用于脈搏特征提取方面的性能分析。(A) 應(yīng)變傳感器采集的橈動脈脈搏波形。(B, C) 傳感器的長壽命。工作30天前后傳感器采集的橈動脈脈搏。(D) 傳感器陣列貼附在橈動脈附近不同位置時所采集的脈搏信號對比。(E-F) 從橈動脈脈搏信號中提取的特征信息。 


圖4 基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)處理脈搏波陣列信號并用于提取血壓和心功能參數(shù)，及其可靠性分析。(A) 血壓和心功能參數(shù)分析系統(tǒng)示意圖。(B-H) 智能系統(tǒng)預(yù)測的血壓與新功能參數(shù)與醫(yī)院專用設(shè)備所測量數(shù)據(jù)的對比圖，顯示了智能系統(tǒng)的可靠性。B.智能系統(tǒng)預(yù)測的舒張壓、收縮壓和平均血壓與醫(yī)院專用設(shè)備所測量數(shù)據(jù)的對比圖。C. 收縮壓的預(yù)測值與測量值間的差異。D. 舒張壓的預(yù)測值與測量值間的差異。E-H. 心功能參數(shù)的預(yù)測值與測量值間的對比圖。 


圖5 智慧血壓和心功能監(jiān)測系統(tǒng)在生活場景中的應(yīng)用展示。(A) 用于健康狀態(tài)和智慧醫(yī)療系統(tǒng)示意圖。(B)實時監(jiān)測血壓和心功能參數(shù)的場景照片。(C) 在連續(xù)5分鐘的測試中預(yù)測和測量血壓的對比圖。(D) 被試者進(jìn)行Valsalva呼吸時可穿戴智慧系統(tǒng)所預(yù)測的血壓與醫(yī)用測試系統(tǒng)所測血壓的對照圖。(E, F) 在連續(xù)5分鐘的測試中可穿戴智慧系統(tǒng)所預(yù)測的心功能參數(shù)與與醫(yī)用測試系統(tǒng)所測值的對比圖。


  這項研究以“Monitoring blood pressure and cardiac function without positioning via a deep learning–assisted strain sensor array”為題發(fā)表在《Science Advances》上（Sci. Adv., 2023, 9, eadh0615）。清華大學(xué)化學(xué)系2018級直博生李碩為該論文的第一作者（已畢業(yè)）。該項研究得到了北京大學(xué)第一醫(yī)院心血管科馬為主任和邱林醫(yī)生的合作支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委會、北京市科學(xué)技術(shù)委員會以及國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃的支持。


  張瑩瑩課題組：主要研究面向生命健康監(jiān)測的納米碳材料、絲蛋白材料及兩者的功能復(fù)合材料，發(fā)展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領(lǐng)域的應(yīng)用。課題組主頁：www.yyzhanggroup.com


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adh0615

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