中山大学周建华/乔彦聪团队 Nano Research：用于单血管局部血压监测的微腔辅助石墨烯压力传感器

2024-09-18 来源：高分子科技

中山大学生物医学工程学院周建华教授/乔彦聪副教授团队在《Nano Research》上发表了题为“Microcavity Assisted Graphene Pressure Sensor for Single-Vessel Local Blood Pressure Monitoring”的研究性论文。本工作提出了一种微型空腔辅助的可穿戴血压传感器（MAGPS）。通过仿真和理论分析探究了传感器的工作机理和失效机理，指导了微腔的设计。微腔可以取代笨重的袖带，用于压迫血管以进行血压数据采集，也大大提高了传感器的量程。得益于所设计的微腔结构，传感器的量程提高到1,050 kPa，具有15.4 kPa^-1的灵敏度。本工作构建了包含9位正常血压受试者和5位高血压患者的数据库，其中包含228个血压数据以及11,804个脉搏波切片。最后，结合MAGPS和两阶段卷积神经网络（CNN）算法对血压进行自动检测。第一阶段算法通过脉搏波判断受试者是否患有高血压。然后，第二阶段算法在10 mmHg误差范围内诊断收缩压和舒张压的准确率分别为93.5%和97.8%。

图1. MAGPS的结构和应用，以及石墨烯的表征

MAGPS由四部分组成，包括微腔结构，顶部PDMS封装膜，石墨烯敏感层和PDMS衬底。在血压监测期间，可以对MAGPS进行充气，以压缩桡动脉，从MAGPS可以监测到不同幅度的脉搏波和微腔中的气压，构建神经网络实现血压预测。石墨烯图案由激光还原聚酰亚胺膜产生，并通过PDMS固化过程被完整转移到PDMS表面。

图2. MAGPS的响应性能

MAGPS工作范围广（0-1,050 kPa），在0-800 kPa范围内具有1.57 kPa^-1的灵敏度，在800-1,050 kPa范围内具有15.4 kPa^-1的灵敏度。与近期发表的压力传感器相比，MAGPS具有压力检测范围和灵敏度的综合优势。此外，它也具有良好的线性、频率响应，经过超过10,000次循环施压/释放后仍然保持稳定响应。

图3. 传感器受压过程仿真

为了解释MAGPS超大工作范围的原因，本工作构建了仿真模型来说明其传感机制。通过仿真MAGPS在外力作用下的变形和受力分布，和微腔内气体压力，结果表明，微腔内气压始终低于外部压力的40%。因此，微腔结构作为缓冲可以通过减轻外力的影响来提高传感器工作范围，以及避免传感器的损伤。

图4. 使用MAGPS进行血压监测

在监测期间，本工作参考示波法血压测量过程，将MAGPS置于桡动脉上方，通过调整微腔气压得到不同压力下的脉搏波。MAGPS的小型化使得它可以用于长时间的脉搏波数据采集。大量的数据有助于提高模型的泛化能力，这意味着提高了BP检测算法的效率和精度。为保证足够的数据验证血压监测性能，构建了包含9名健康受试者和5名高血压患者的数据库。

图5. 使用两级CNN网络用于血压预测

本工作提出了一种基于两阶段CNN模型的高血压诊断新方法，通过同时采集MAGPS的脉搏波和微腔气压来预测收缩压和舒张压。两阶段CNN包括分类CNN和回归CNN。利用多脉搏波的综合判断，分类CNN对高血压/正常血压的判断准确性从89.9%提高到92.1%。最终，回归CNN对收缩压预测值的准确性为0.5±6.1 mmHg，对舒张压预测值的准确性为2.1±4.3 mmHg。
中山大学生物医学工程学院是论文第一单位，中山大学生物医学工程学院硕士研究生罗金安是文章的第一作者，中山大学乔彦聪副教授和周建华教授、清华大学集成电路学院任天令教授、中山大学附属第七医院李波副主任医师是论文的通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学青年基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划、深圳市优秀科技创新人才培养项目、清华大学北京信息科学与技术国家研究中心开放课题、广东省传感技术与生物医学仪器重点实验室的支持。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-024-6969-7

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（责任编辑：xu）

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