血液理化信息的無創(chuàng)監(jiān)測是利用光學(xué)或聲學(xué)傳感器來實現(xiàn)的。隨著光電子學(xué)技術(shù)的進步，光學(xué)傳感器可以被制作成柔性薄膜，可以緊貼到皮膚上來接收光的反射。光學(xué)傳感器可監(jiān)測氧飽和度、血糖、血壓和血流量等相關(guān)參數(shù)。但光在人體組織內(nèi)就快速擴散散射掉，傳感器也只能讀出光輻射區(qū)域內(nèi)的粗略生理信息，無法解析深層組織中的任何特定血管。另外目前的血液傳感器無法定位皮膚下的血管以提供有關(guān)分布式血液特性的直接信息，而且只能提供單一的生理學(xué)體征監(jiān)測，限制了對心血管健康狀況進行全面、多維評估的能力。
今天介紹一種柔性的光聲血液“聽診器”（OBS），用發(fā)光元器件照亮血液，然后壓電聲學(xué)元器件捕捉光誘導(dǎo)的聲波（類似聽診器來探測聲音）。結(jié)合了聲學(xué)的深度穿透和光學(xué)豐富的光譜對比度的優(yōu)點，可以感測深層組織中的不同血液參數(shù)，包括缺氧、血管內(nèi)外源性物質(zhì)濃度衰減和血流動力學(xué)，并通過量身定制的三維算法進一步可視化。
圖1、a 層壓在手表面的 OBS 的示意圖。OBS基于光聲效應(yīng)，可以監(jiān)測缺氧、外源性物質(zhì)衰減、血管順應(yīng)性和內(nèi)皮功能障礙。同時，OBS可以將血液信息映射到3D分布模型。b OBS 的布局示意圖：光學(xué)（微透鏡）和聲學(xué)（壓電層）元器件與連接件、絕緣、電極和封裝層集成在一起。c 彎曲狀態(tài)下的OBS照片。d 有柔性連接電路緊密貼合在人體手腕上的OBS照片。e 交叉分布的聲學(xué)和光學(xué)節(jié)點。f , g 單個光學(xué) ( f ) 和聲學(xué) ( g ) 節(jié)點的分解圖。
OBS 為心血管研究測量靜脈擴張性和動脈內(nèi)皮功能提供了前所未有的解決方案。同時，它可以區(qū)分深層組織中的動靜脈并記錄其相應(yīng)的缺氧狀態(tài)，這是傳統(tǒng)光學(xué)和超聲解決方案無法實現(xiàn)的。
圖2、a 用于活體動物測試的缺氧實驗裝置。b 氧飽和度和光聲（OA）幅度之間的線性相關(guān)性。c 缺氧試驗中OBS測得的OA信號峰值趨勢線。橙色區(qū)域代表氮氣供應(yīng)的低氧狀態(tài)，藍線和紅線分別是靜脈和動脈的 OA 幅度。灰色區(qū)域代表血氧計測量的氧飽和度。d 在 30 秒、320 秒、520 秒、710 秒和 760 秒時三維重建的小鼠血氧圖的快照圖像。e OBS測量的OA信號峰峰值趨勢線用于血管內(nèi)外源性藥物濃度監(jiān)測。羅丹明B在血管（紅線）和組織（藍線）中的代謝呈現(xiàn)隨時間衰減的趨勢。f從 OBS 測量的血液中若丹明 B 的衰減趨勢（紅線）。g 體外熒光法測得的若丹明B在血液中的衰減趨勢（紅點）。h 在 200 秒、700 秒、1200 秒和 1900 秒時濃度衰減測試中小鼠若丹明 B 濃度的三維快照圖像。血液中的若丹明 B 呈橙色，而組織中的若丹明 B 呈紫色。
2. 靜脈閉塞監(jiān)測
圖3、a 手背靜脈網(wǎng)輪廓照片，其中圖像區(qū)域用白色虛線框表示。b OBS佩戴在手上的照片。c 來自 OBS 的 OA 信號峰到峰值的趨勢線。d 20 秒、70 秒、120 秒和 170 秒時的三維血管圖像快照，其中虛線顯示靜脈網(wǎng)輪廓。e 不同壓力下峰值振幅與容積比的比較。隨著閉塞壓力的降低，峰值振幅和體積均減小。f 不同袖帶壓力下OBS測量的峰值振幅比變化與超聲測量的靜脈容積比變化之間的線性相關(guān)性。
3. 動脈閉塞監(jiān)測
圖4、橈動脈輪廓的照片，白色虛線框表示圖像區(qū)域。b 佩戴在手腕上的 OBS 照片。c 從OBS獲取的OA信號峰到峰值的趨勢線。d 20 s、70 s、120 s 和 160 s 時的三維血液圖像快照，虛線表示動脈血管輪廓。e – g 使用 OBS 進行血流介導(dǎo)的擴張 試驗。所有信號均在閉塞解除后 60 秒內(nèi)記錄。峰值A(chǔ)代表袖帶釋放后一分鐘內(nèi)的最大血管容積。h OBS 和超聲成像在測量血流介導(dǎo)擴張方面的定量比較。橙色用于 OBS 測量，綠色用于超聲驗證。
可見活體動物試驗和人體試驗的演示都顯示出光聲血液“聽診器”在心血管疾病診斷和預(yù)測方面的潛力。
原文：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40181-5
