一
背景
心血管疾病（CVDs）是全球范围内的首要死亡原因，每年导致超过1700万人死亡，占全球总死亡人数的三分之一。有效的监测和预防策略对于降低CVDs的发病率和死亡率至关重要。血流动力学，即血液在循环系统中的力学特性，提供了评估心血管功能与健康的关键洞察。核心监测指标包括血压（BP）、心率（HR）、心输出量（CO）和血流速度（BFV），它们共同反映了心脏泵血效率、血管功能及整体循环系统的状态。
传统的临床监测方法，如袖带式血压计、动态心电图（Holter）、超声心动图和磁共振成像（MRI），虽然在诊断中发挥着重要作用，但存在显著局限性：（1）实时性差：多数方法仅提供间歇性测量，可能错过急性血流动力学变化，导致关键情况下的干预延迟；（2）便携性不足：设备笨重，限制患者活动，难以实现家庭和远程医疗；（3）舒适度低：特别是导管插入等侵入式方法，具有感染风险且患者体验差。
近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的发展，出现了许多可穿戴设备（如电子血压计、智能手环和手表），促进了移动和家庭化的血流动力学监测。然而，它们面临两大挑战：（1）集成度和舒适度有限：设备通常需外部固定于手腕等部位，显著降低用户舒适度；（2）监测精度不足：大多数产品未经临床验证以满足诊断标准。
在此背景下，柔性电子技术应运而生，为解决上述难题提供了可行路径。柔性电子器件能够与皮肤或生物组织无缝集成，实现连续数据采集，捕捉生理参数的动态变化，并提供检测动脉壁微小形变的临床级高灵敏度。它们重量轻、贴合性好，患者可在保持高活动水平的同时进行长期佩戴。通过先进材料和技术，研究人员已开发出一系列能够精确解码血流动力学信息（如HR、BP、CO、BFV）的柔性生物集成电子器件，这些器件在心血管疾病早期筛查、康复监测和个性化健康管理方面展现出巨大潜力。此外，人工智能（AI）算法的集成进一步增强了精准医疗和远程医疗的能力。
因此，开发高性能、高舒适度、智能化的柔性血流动力学监测贴片，已成为心血管健康管理领域的前沿焦点和迫切需求。
二
方法
柔性生物集成电子器件的开发涉及精密的传感机制选择、材料工程和结构设计，以确保其在复杂生物环境中的高性能、稳定性和安全性。
2.1 关键传感机制
柔性传感器根据其工作原理主要分为三大类：机电式、光学式和超声式。
机电传感机制：通过检测血流引起的机械形变（如皮肤应变、血管搏动）来工作。
压阻式（Piezoresistive）：将压力转换为电阻变化（ΔR = S × P）。优点是抗电磁干扰能力强、响应快，但易受环境温湿度影响，灵敏度（S）是关键参数。
电容式（Piezocapacitive）：将压力转换为电容变化（C = ε₀εᵣA/d）。具有高灵敏度，但对信号质量和传感器放置位置敏感。
压电式（Piezoelectric）：特定晶体或聚合物（如PZT、PVDF）在机械形变下产生电荷（V = -d·ΔP）。最大优势是自供能，无需外部电源，但对小形变灵敏度有限。
摩擦电式（Triboelectric）：基于接触起电效应产生电荷。同样是自供能，但对环境湿度和噪声抑制要求苛刻。
压磁式（Piezomagnetic）：机械应力导致磁化强度变化，通过霍尔效应等检测（V_H = K×B×I）。支持非接触式测量，抗环境光运动干扰，但器件体积较大且对温度敏感。
光学传感机制：主要基于光电容积脉搏波描记法（PPG）。血红蛋白对特定波长光（如660nm红光或700-1100nm近红外光）的吸收随血容量脉搏性变化，被光敏元件捕获。PPG传感器易于集成到消费电子产品（如智能手表），且抗电磁干扰，但易受环境光干扰和肤色差异影响。
超声传感机制：向生物组织发射超声波（1-20 MHz），利用多普勒效应检测移动散射体（如红细胞）引起的回波频率偏移（f_D = 2f₀V cosθ / c）来计算血流速度。其独特优势在于能够探测深部组织的信号，但需要精确校准且穿透能力有限。
对不同传感机制的优缺点和应用场景进行了系统对比，为特定应用场景下的选择提供了指导。
2.2 材料与机械设计考量
为实现长期、稳定、舒适的监测，柔性传感器必须在材料选择和结构设计上满足苛刻要求。
环境稳定性设计：为应对复杂多变的皮肤界面环境（汗液、灰尘），研究人员开发了超薄共形传感器。一种基于激光 scribe 石墨烯/PU纳米网膜的智能电子皮肤，其灵敏度（Gauge Factor, GF）高达40，线性范围达60%，稳定性超过1000次循环，能清晰监测腕部脉搏波。此外，自清洁、抗菌和透气透汗设计也被广泛应用，以提升器件的耐用性和佩戴舒适性。
高拉伸性设计：皮肤应变可达80%，要求器件在形变下保持性能稳定。策略包括：
弹性基底：使用PDMS、EcoFlex、SEBS、PU等高弹性聚合物替代刚性基底，嵌入的激光诱导石墨烯（LIG）转移到EcoFlex基底上，制成的全范围应变（FROS）传感器在0-115%的应变范围内实现了高达2445的GF。
机械结构设计：采用预拉伸释放技术制造褶皱结构电极，或利用剪纸（kirigami）技术，可将应变能力提升至300%，通过面外变形有效重新分布应力。
生物安全性考量：与皮肤或组织长期接触的材料必须具备生物相容性（如PI, PDMS, EcoFlex, PCL, PU）乃至可生物降解性（如PLA, PLGA, PCL, 壳聚糖）。全功能压电血管移植物（PVG）在细胞、血液和组织水平均表现出优异的生物相容性（溶血率<1%）。可植入摩擦电传感器在63-84天后能在体内完全降解，避免了二次手术取出。
2.3 侵入式与非侵入式集成策略
侵入式传感器：通过手术缝合或导管输送与心脏或血管直接集成，提供最高精度的监测。
心脏集成传感器：软质柔性传感器植入心脏表面，连续监测心脏容积，误差仅7.1 mL，优于传统方法。自供能是重要方向，基于TENG开发了柔性自供电心内压传感器（SEPS），在猪模型中灵敏度达1.195 mV/mmHg，能有效检测心律失常。多功能心外膜贴片可实现电生理、应变和温度的时空映射，甚至提供治疗功能（电起搏、热消融）。
血管集成传感器：无线电容传感器可缠绕在动脉上，长期监测动脉健康，与多普勒超声相比整体误差仅1.6%。全植入式血管电子系统集成在智能支架上，可无线监测压力、心率和流量。智能血管移植物（SVG）和3D打印人工动脉则展现了在血管移植物中集成实时监测功能的潜力。
非侵入式传感器：贴附于皮肤表面，更安全舒适，易于推广。
代表性器件包括：基于III族氮化物薄膜的超薄压电脉搏传感器（PPS，~300μm），可评估颈动脉-股动脉脉搏波速度（cfPWV）；超薄共形有机光电探测器（OPD，3.2μm），即使在水中浸泡5小时也能稳定工作；基于纺织品的摩擦电脉搏传感器，估测血压的平均偏差仅2.9%（收缩压）和1.2%（舒张压），为应对运动伪影等挑战，基于磁弹性效应的纺织传感器，在汗液或水下环境中也能稳定工作；通过算法和超声贴片技术解决了不同姿势下的信号稳定性问题。
2.4 人工智能辅助的信号处理：AI技术极大地提升了从原始信号中提取信息并进行分析诊断的效率和准确性。
数据预处理：包括放大、滤波（如 Butterworth 滤波器、小波滤波器、经验模态分解EMD）和模数转换（ADC），以增强信噪比（SNR）并去除噪声。
特征提取与建模机器学习（ML）：提取时域（均值、方差）、频域（能量）、形态学（波峰、波谷）等特征，使用支持向量机（SVM）、随机森林（RF）等算法进行分类或回归。使用SVM对脉搏信号进行分类，准确率高达98.4%。个性化偏最小二乘回归（PLSR）模型进行无袖带血压监测，训练误差<3%。
深度学习（DL）：自动从原始数据中学习特征。卷积神经网络（CNN）处理空间特征，循环神经网络（RNN、LSTM、GRU）处理时间序列依赖关系。双向GRU网络估计血压，误差为SBP: 2.9 ± 3.94 mmHg, DBP: 1.31 ± 1.76 mmHg。混合模型（如CNN-LSTM）能同时利用时空特征，提高预测精度。
生成模型：如生成对抗网络（GAN）和自编码器（AE），可用于数据增强和信号降噪，去噪自编码器（DAE）显著提升了脉搏信号质量。AI的赋能使得柔性传感器不仅能监测生理参数，更能进行疾病辅助诊断。FlexiPulse传感器结合ML算法，对房颤（AF）和房间隔缺损（ASD）等CVD事件的分类平均准确率达98.7%。集传感、处理、无线通信和AI分析于一体的系统级平台，实现了高精度的连续血压和心功能监测。
三
结论
本报告系统回顾了生物集成柔性电子技术在血流动力学监测领域的最新进展，可以得出以下核心结论：
技术优势显著：柔性电子技术通过其超薄、柔性、可拉伸、生物相容的特性，克服了传统监测方法在实时性、便携性、舒适性和长期连续性方面的瓶颈，为实现个性化、预防性、远程化的心血管健康管理奠定了坚实基础。
传感机制多样：压阻、压电、光学、超声等多种传感机制各有千秋，可根据监测指标、精度要求、应用场景（深部/浅表、静态/动态）和功耗限制进行选择和融合，以满足不同的临床和日常需求。
性能指标优异：当前开发的先进器件已展现出临床级的性能，血压监测平均误差可低于5 mmHg，脉搏波形态捕捉精细，基于PWV的动脉 stiffness 评估与临床标准高度一致，对心律失常等异常事件的检测准确率极高（>98%）。
AI深度融合：人工智能算法已成为柔性传感系统中不可或缺的一部分。它在信号降噪、特征提取、参数计算和疾病诊断方面发挥着核心作用，极大地提升了数据处理的自动化、智能化和诊断的准确性，推动了从“感知”到“认知”的飞跃。
应用范式革新：柔性电子技术推动了监测场景从医院向家庭、社区拓展，监测模式从间歇性向连续性演变，功能从单一监测向“监测-诊断-预警-干预”闭环发展。特别是侵入式器件提供了前所未有的精准数据，而非侵入式器件则在大规模普及方面更具潜力。
四
展望
尽管取得了令人瞩目的进展，该领域仍面临诸多挑战，未来研究可从以下几个方向重点突破：
提升性能与可靠性：进一步提高传感器的灵敏度、稳定性和抗干扰能力（如运动伪影、温湿度变化），确保在各种真实生活场景下数据的准确性和可靠性。开发多模态融合传感器，同时获取多种生理参数，以提供更全面的健康信息。
材料创新：积极探索新型高性能、生物相容、可生物降解的功能材料与基底材料。这对于植入式器件的长期安全性和最终吸收至关重要，也能减少电子医疗垃圾的环境负担。
系统级集成与能源管理：致力于开发高度集成的“片上系统”，将传感器、处理器、无线通信模块和电源管理单元微型化并集成于单一柔性平台。发展高效的能量收集技术（如从人体运动中获取能量）和低功耗设计，是实现器件真正“无线化”和“长期化”工作的关键。
人工智能算法优化：开发更轻量化、高效、个性化的AI模型，以适应嵌入式设备的有限计算资源。加强算法在小样本学习、迁移学习和自适应校准方面的能力，减少对大量标注数据的依赖，并提高在不同个体间的普适性。
大规模临床验证与标准化：推动更多器件从实验室走向临床应用，必须进行大规模、多中心的临床试验，以验证其有效性、安全性和临床价值。同时，建立统一的性能测试标准和质量控制体系，是产业化和商业化的重要前提。
数据安全与隐私保护：随着连续健康数据的上传和共享，必须构建安全、可靠的数据云平台和隐私保护机制，确保患者数据的安全和合规使用。
总之，生物集成柔性电子技术正处于飞速发展的阶段，其与人工智能、物联网、微纳制造等技术的深度融合，必将重塑心血管疾病的监测、诊断和管理模式，为全球心血管健康管理带来革命性的变革，最终实现“任何时间、任何地点”的个性化健康管理愿景。
公司简介
上海复蓝医疗科技有限公司（Fulan Medical Technology），公司创始团队来自复旦大学生物医学工程研究所。专注于利用先进的计算机建模仿真与人工智能技术，提供心脑血管疾病的辅助诊断、外科及介入手术的计算机模拟及分析、血管植介入器械安全性与有效性评价等解决方案。
平台介绍
① 主动脉及大血管疾病介入治疗数智化仿真平台
② 脑血管疾病介入治疗数智化计算机手术模拟及分析平台
③ 心脏瓣膜外科和介入置换计算机手术模拟及分析平台
④ 患者特异性数字孪生心脏
产品审评有限元分析报告
人工心脏瓣膜：外科生物瓣、外科高分子瓣、介入生物瓣、介入高分子瓣、二尖瓣三尖瓣夹合器、封堵器等
支架：颅内动脉瘤介入栓塞装置、密网支架、覆膜支架、取栓支架、外周支架、可降解支架等
有源：植入式心脏辅助装置、心脏起搏器、TCAR、DBS、PFA、RFA、PNS等
其他：肿瘤、消化等其他外科介入器械
计算机手术模拟及分析
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