生物醫學工程新技術在慢性心力衰竭遠程監測中的應用進展

楊舉微 胡奕然, 華偉

慢性心力衰竭（心衰）是各種原因導致的心臟結構或功能損傷引起的一組臨床綜合征。據統計，我國35 歲以上人群中心衰發病率約為1.3%，總患病人數約890 萬[1]，其中急性心衰住院患者兩年內死亡率高達26.9%[2]。與此同時，心衰再住院率居高不下，1年內再住院率高達13.6%[3]。隨著智能電子設備、傳感器、云計算等技術的不斷進步，遠程監測技術在心衰管理中扮演著重要的角色，結合人工智能和數據分析，可為心衰患者提供更加個性化和精細的治療建議。本文以生物醫學工程最新技術為視角，總結其在慢性心衰遠程監測領域的應用現狀，提供現有臨床證據，并對未來的發展前景進行展望。

1 基礎體征監測

1.1 血壓

高血壓是心衰的常見病因，且在射血分數保留的心衰患者中最為顯著。血壓控制不佳可能會導致心衰失代償，因此有必要監測心衰患者的血壓。根據機制不同，目前遠程血壓監測技術分為三種[4]。

（1）柔性機械傳感器：傳感方式包括壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式，其共同特點是在兩個電極之間夾有一個傳感組件。將這些傳感器貼在靠近動脈的皮膚上，可監測橈動脈或頸動脈的局部振動，通過機電效應獲得血壓和脈搏參數。Meng 等[5]研發的柔性自供電壓力感受器采用了納米線編織結構（圖1A），不僅改善了摩擦生電效能，還能更靈敏地對外部細微機械振動做出反應，可以放置在指尖、手腕、腳踝等部位，捕捉血壓變化，并轉換成電信號，從而實現對脈搏、血壓的連續性監測。受剪紙技術啟示，該團隊進一步優化壓力感受器的結構，以提升其性能（圖1B）[6]；優化后的傳感器不僅具有更高的靈敏度和更廣泛的響應范圍，還可在有運動偽影的情況下精確提取脈搏波峰值，提高了測量的準確度。

圖1 用于血壓監測的柔性貼片

（2）柔性光學傳感器：當光照射生物組織時，光子被細胞和蛋白質吸收和散射，與深部組織相互作用后發生反射，故可通過皮膚毛細血管反射光的強度來判斷每次心跳引起的血容量的微小改變，從而獲得血壓等指標。其中最常用的是光電容積描記法（PPG），它與其他傳感器集成后可得到多個與血壓相關的參數，如脈沖到達時間、脈沖傳輸時間等，以實現持續血壓監測[7]。Lee 等[8]采用發射紅光的有機發光二極管（OLED）陣列作為光源，可順應性地貼合在人體手腕上，保證在手腕屈曲和伸展等多種機械應變的情況下高質量地采集數據（圖1C）。

（3）柔性聲學傳感器：其與超聲檢查的原理類似。聲學傳感器能夠基于高頻超聲波發射和接收來連續記錄血管的直徑，以獲得脈沖波形，再通過一定的算法轉化為血壓。相較光學傳感，聲波可到達更深的位置，因此可用于跟蹤監測深處組織的動脈搏動，如中心動脈壓的測量。利用該原理，Wang 等[9]開發出一種超薄柔性可穿戴的超聲波設備（圖1D），厚度約240 μm，在實現測量中心動脈壓的同時，還能與皮膚保持較好的貼合性。

1.2 心電圖、心率和心率變異性

心衰患者特別是因心衰再住院的患者住院前通常心率增快，而心率變異性呈下降趨勢。而心電圖檢查不僅是可疑心衰患者的常規檢查，也是心衰患者的重要隨訪項目之一。

目前無創心電圖監測主要使用表皮電極技術，可細分為濕電極和干電極。濕電極采用了低阻抗水凝膠，具有超柔性和良好的透氣性，其低楊氏模量的特點可實現與皮膚的較好接觸，從而保證更優質的信號質量。如今，高吸濕性氯化鋰鹽的應用解決了濕電極易蒸發失水的缺點。另一方面，將其他材料如2D 材料中的各種X-烯（Xene）摻雜在水凝膠基質中，可改善其力學性能，提高其延展性和穩定性[10]。相較于濕電極，干電極可直接通過電極表面的導電介質獲取電信號，更加便利衛生、舒適耐用。仿生干電極技術使得皮膚與電極之間的粘附更緊密，實現最佳性能，如Kim 等[11]基于樹蛙腳墊的微通道網絡結構和章魚吸盤結構而開發的具有高透氣性、排水性的粘性皮膚貼片（圖2A），Min 等[12]基于龍虱前腿吸盤設計的電粘合貼片（圖2B）等。

圖2 仿生及植入式電極貼片

此外，植入式的電極貼片也可實時監測心電圖以及心率。這一領域以往最大的挑戰在于剛性材料貼片與心肌的貼合，而柔性器件聯合3D 打印技術的研發解決了這一問題。Xu 等[13]通過3D 打印技術創建了與心外膜形狀精確匹配的3D 彈性膜，提供了一個具有良好機械穩定性的平臺，可集成多種傳感器（圖2C）。Sim 等[14]報道的用全橡膠電子元件制成的貼片包含一個橡膠晶體管陣列，可使用有源矩陣多路復用映射生物電勢，同時從多個部位收集心外膜溫度、心率以及電生理信號等信息（圖2D）。

上述技術為心衰患者心率和心電圖的監測和管理提供了全新的途徑，可集成到多種設備中，如智能手表、臂章、胸貼等。納入超40 萬例受試者的蘋果心臟研究（Apple Heart Study）顯示，智能手表對心房顫動的陽性預測值達84%[15]。由中國人民解放軍總醫院主導的華為心臟研究（HUAWEI Heart Study）聚焦于搭載PPG 技術的華為智能手環和手表結合智能手機在健康人群中篩查心房顫動的效能，納入超18 萬例受試者，經篩選發現疑似心房顫動患者262例，最終確診227 例，占比達87%[16]。這些大規模研究凸顯了這些技術在心衰患者中監測心房顫動的潛在應用價值。

1.3 身體活動

在心衰領域，身體活動不僅是評估患者心功能狀態的依據（如NYHA 心功能分級、6 分鐘步行距離等），也是遠程管理參考的重要參數。

加速度計是一種通過連續測量三個正交方向的加速度來監測身體活動情況的技術。其中壓電式加速度計應用最為廣泛，當傳感器感受加速度時，壓電器件產生形變，使得電荷分布發生變化，并將機械刺激信號轉化為電信號，其幅度與加速度的大小成正比。根據這個原理可獲得不同參數，包括患者身體活動的持續時間、頻率和強度，從而判斷患者身體活動特點。目前加速度計在多個領域均有應用，已經成為大多數智能手機硬件的一部分，且還能集成在各種可穿戴設備如運動手環、手表等，同時也可與PPG 等其他傳感技術結合使用。NEAT-HFpEF研究利用加速度計監測身體活動，發現在射血分數保留的心衰患者中，日常身體活動水平低與預后不良事件顯著相關，包括因心衰住院、呼吸暫停、糖尿病、心室壁較厚等[17]，顯示了加速度計在心衰患者中的潛在應用價值。

另一類監測技術是計步器，基于原理可分為彈簧杠桿式和壓電式。前者包括一個彈簧懸掛的水平杠桿臂，可隨著運動上下移動，當杠桿臂與傳感器接觸時電路連通，計步1 次。后者使用一段帶有重物的水平懸臂，當人體運動時懸臂發生形變，壓縮壓電晶體，從而產生與加速度正相關的電壓。一項Meta 分析顯示，采用可穿戴身體活動監測設備如計步器、健身跟蹤器、加速度計等，可明顯改善身體活動水平，尤其是計步器[18]。

值得一提的是，對于上述提及的基礎生命體征監測的實際臨床效益，目前的證據并不一致。一些小規模研究顯示，監測血壓、心率、體重等指標有利于降低心衰再住院率及改善患者的生活質量[19]。但一些大規模隨機對照試驗并未顯示陽性結果[20-21]。患者依從性差、數據處理復雜、運動偽影等多種因素可能導致臨床效益的降低[22]。因此，未來需要開展更多高質量的臨床研究，以確保得出更可靠的結論。

2 血液動力學監測

心衰急性加重最主要的原因是肺部淤血，國內外指南均推薦通過每日監測體重變化來判斷是否存在液體潴留，但該方法在實際應用時會受多種因素影響，靈敏度較低。X 線胸片、體格檢查等常規檢查手段的準確度亦不高，難以及時評估患者的充血程度。目前生物醫學工程新技術在血液動力學監測方面開始嶄露頭角，其應用和發展呈現迅猛態勢。

2.1 心腔內壓力

肺動脈壓監測是目前最有前景的領域，尤其是在CardioMEMS 系統問世以后。CardioMEMS 是一種使用微機電系統技術的無線壓敏器件（圖3A），其傳感器由硅膠密封，內含電感線圈和壓敏電容，在特定頻率下形成諧振電路。血壓波動可影響諧振頻率，通過跟蹤諧振頻率的變化即可實現對肺動脈壓的監測。基于該裝置開展的CHAMPION-HF 研究納入550 例患者，發現試驗組在主要終點事件上有明顯改善，6 個月內心衰住院風險降低了28%，且裝置或系統相關并發癥的發生率僅1.4%[23]。2022 年GUIDE-HF 研究進一步證實了肺動脈壓監測在心衰程度更輕的患者中的應用價值，再次肯定了血液動力學指導的心衰管理為早期心衰患者帶來的獲益，并使得CardioMEMS 的應用范圍進一步擴大[24]。另一種可植入式肺動脈壓監測器Cordella（圖3B）由美國Endotronix 公司研發，通過特定的導管裝置從股靜脈輸送至右肺動脈處進行肺動脈壓監測，目前正在開展的PROACTIVE-HF 研究在評估其在大范圍人群中的效益[25]。總體來說，肺動脈壓監測比基礎體征遠程監測的效果更佳，且植入式的裝置不依賴患者的自主性，進一步提高了其依從性。

圖3 用于心腔內壓力監測的代表性產品

左心房壓力升高與肺充血有很強的相關性。其中，具有代表性的HeartPOD 系統由植入式傳感器導線和線圈組成（圖3C），采用右心導管術將其固定在房間隔附近，通過外置的患者咨詢模塊測量大氣壓，再減去傳感器測量的絕對壓力獲得左心房壓力數值。LAPTOP-HF 研究發現，與接受單純藥物治療的患者相比，使用左心房壓力監測的患者心衰住院事件發生率有所下降[26]，說明左心房壓力監測仍然具有潛力。而以色列Vectorious 公司研發的新一代左心房壓力監測系統——V-LAP 系統（圖3D）同為微型傳感器，采用了鎳鈦諾材料編織的雙盤式固定器件，打開后可固定在房間隔兩側直接監測左心房壓力。首次人體試驗VECTOR-HF 研究已在30例患者中初步證實了V-LAP 系統的安全性和可行性[27]，Ⅱ期臨床試驗正在進行中。

2.2 肺液體量

肺液體量是反映肺血管外充血的良好指標，通過監測肺充血可預測心衰住院的發生。目前有兩種方式來檢測肺液體量，即胸阻抗和遠程介電傳感（ReDS）。

正常肺內主要由氣體組成，導電性差，而滲出液的導電性能良好，所以胸阻抗的下降可提示肺內液體增多。根據該原理衍生的技術可集成在植入式電子器械上，監測心臟內的電極和胸壁上的脈沖發生器之間的電阻抗，如美國Medtronic 公司研發的OptiVol 功能。早期研究表明，通過對患者進行胸阻抗監測，在心衰住院發生之前就能檢測到肺部液體量的增加，但近十年的數據結果卻并不一致。一項納入14 項研究、5 454 例患者的Meta 分析提示，與對照組患者相比，使用植入式裝置監測的患者在心衰住院、全因死亡風險等方面無顯著差別[28]。2022年一項納入2 494 例患者的Meta 分析顯示，基于胸阻抗監測的遠程監控在因心衰或心血管疾病住院的復合結果上也并未顯現出優勢（HR=1.10）[29]。

ReDS 是一種基于微型雷達系統的技術，利用低功率電磁信號，通過可穿戴背心上的兩個傳感器來測量組織的介電特性。由于液體與空氣的介電系數相差較大，因此可通過測量整個肺的介電系數來評估胸腔內液體含量。SMILE 研究納入268 例心衰患者，發現使用ReDS 系統進行監測管理的患者心衰住院風險降低了近50%[30]。Amir 等[31]的一項研究發現，使用ReDS 系統進行監測和管理可顯著降低急性失代償性心衰患者的再住院率，降幅高達87%。該系統已通過FDA 批準上市，但仍需進一步的研究來驗證相關結果。

3 心功能監測

超聲心動圖是評價心功能的首選檢查，可穿戴或植入式醫療電子設備的使用可提供極大的便利性。

Wang 等[32]研發出一款生物粘附超聲裝置（圖4A、4B），該設備由一薄而堅硬的超聲探頭組成，通過一層生物粘附性良好的水凝膠-彈性體混合物耦合層附著在皮膚上，在最大限度地減少耦合劑聲學衰減的同時增強其粘附性，不僅有利于超聲穿透，還能減少皮膚變形對探頭的影響，可提供多個器官包括深部血管的實時高分辨率圖像，并有48 小時連續成像的能力。 Hu 等[33]從超聲探頭的角度進行創新，研發了一款僅郵票大小的柔性超聲成像器（圖4C），其超聲探頭由壓電換能器陣列、液態金屬復合電極和三嵌段共聚物封裝組成。高密度多層可伸縮電極可提供卓越的電導率和可塑形性，并且壓電元件正交方式排列的設計使得該貼片能在無需手動旋轉探頭的情況下提供心臟的全方位視圖。研究團隊進行了負荷超聲心動圖的測試，發現在受試者高強度運動的情況下仍能保持不間斷的圖像采集。借助深度學習算法，該設備可實時分析每搏輸出量、射血分數和心輸出量等指標。該團隊于2023 年進一步研發出可穿戴式的超聲系統USoP（圖4D），將超聲探頭和微型無線控制電子器件集成，擺脫了有線連接的束縛[34]。其控制電子設備由搭載模擬前端和數據采集模塊的柔性電路板構成，通過多個組件的順序控制完成超聲傳感。USoP 同樣使用機器學習和深度學習技術，通過訓練可自動選擇最佳信道并實現自動化數據采集處理。

圖4 代表性柔性超聲器械

4 挑戰及未來

生物醫學工程新技術的發展為心衰遠程監測帶來了前所未有的機會。盡管這些創新不斷涌現，在多數情況下，它們僅在受控的實驗室環境中進行最佳條件下的測試，難以進一步應用于臨床實踐。有效的成果轉化是亟需攻克的難關。另一個顯著問題是信息的處理和讀取。傳感器在實際應用中會受到環境噪聲的干擾，影響信息質量。因此，諸如UsoP系統的自動化傳感器激活和信息處理方式將會成為未來研究的一個重要方向。

最后，不管是植入式設備還是可穿戴設備，都面臨著使用壽命的問題。除了需要探索更優的能量收集策略，如摩擦納米發電機（TENG）或壓電納米發電機（PENG）等技術，還可以考慮優化能量的存儲技術，以確保設備的穩定運行，一方面保證長期監測的持續性，另一方面也有助于降低設備維護和更換的成本。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突