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灵活可穿戴的心血管生命体征监测传感器综述
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每年有1700多万人死于心血管疾病,占全球死亡人数的31%。到2030年,这个数字预计将增加到2360万。仅在美国,每年至少有1.4万人死于心血管疾病,每4分钟就有一人死于心血管疾病。尽管死亡率很高,但90%的心血管疾病可以通过早期检测来预防。因此,持续实时的心血管监测对降低心血管疾病的发病率和死亡率至关重要。

24小时心电图监测和核磁共振成像虽然是基于血压测量的心血管疾病的传统诊断,但有各种局限性。基于袖带的血压测量只能间歇性地测量收缩压和舒张压,这可能不足以完全反映心血管状态。24小时心电图设备需要将多个电极连接到患者的胸部,并通过电线连接到记录系统,这种设备体积大,容易意外断开。或者,核磁共振成像可以直接准确地确定堵塞位置。然而,它昂贵、复杂,并且可能含有放射性物质。更重要的是,这些心血管评估工具通常在医院实施,因此很难实时监测心血管的长期状态。为了在不干扰日常活动的情况下连续无创地监控这些信号,需要灵活的可穿戴传感器。由于心血管疾病的预防和管理在老龄化人口中起着至关重要的作用,柔性可穿戴传感器在医疗保健领域具有特殊的潜力和意义。因此,用于心血管生命体征监测的柔性可穿戴传感器最近引起了人们的极大兴趣,并得到了广泛的研究。

柔性可穿戴传感器的最新进展,可以连续无创地监测心血管生命体征,包括心率、血压、血氧饱和度和血糖。具体来说,我们从材料、机制、设备和医疗应用的角度阐述了每种可穿戴心血管传感器。例如,它描述了构成该装置并赋予其灵活性、耐磨性和透气性的功能材料。它还包括用于监测这些生命体征的传感器的机制、配置、进步、优缺点。最后,总结了当前的挑战、可能的战略和未来的方向。

心血管生命体征,包括心率(HR),血压(BP),血氧饱和度(SO2)和血糖,临床医生经常使用这些来评估患者与心血管系统相关的生命维持功能。根据不同的机制,使用的柔性可穿戴传感器可分为五类:生物电、光电、机电(压力和应变)、超声波和电化学传感器。

这些心血管生命体征可以通过以下机制在不同的位置进行测量:

1)心率可以通过生物电、光电、机电和超声技术获得,这些技术是基于ECG脉动波形、光电容积描记法(PPG),心震描记法(SCG)和心冲击描记法(BCG),径向脉冲波形和超声波描述。根据使用的技术,这些信号可以记录在胸部、指尖、颈部和手腕的不同位置;

2)血氧饱和度可以通过PPG监测手指、耳垂或足部皮下动脉的浅位置;

3)持续血压通常基于生物电、光电和机电传感器的信号,基于脉冲瞬时时间(PTT)或脉冲相对时间(PAT)算法和机器学习(ML)算法估计;

4)血糖由电化学传感器通过唾液、眼泪、汗液和间质液(ISF)进行测量。

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