血液理化信息的无创监测是利用光学或声学传感器来实现的。随着光电子学技术的进步，光学传感器可以被制作成柔性薄膜，可以紧贴到皮肤上来接收光的反射。光学传感器可监测氧饱和度、血糖、血压和血流量等相关参数。但光在人体组织内就快速扩散散射掉，传感器也只能读出光辐射区域内的粗略生理信息，无法解析深层组织中的任何特定血管。另外目前的血液传感器无法定位皮肤下的血管以提供有关分布式血液特性的直接信息，而且只能提供单一的生理学体征监测，限制了对心血管健康状况进行全面、多维评估的能力。
今天介绍一种柔性的光声血液“听诊器”（OBS），用发光元器件照亮血液，然后压电声学元器件捕捉光诱导的声波（类似听诊器来探测声音）。结合了声学的深度穿透和光学丰富的光谱对比度的优点，可以感测深层组织中的不同血液参数，包括缺氧、血管内外源性物质浓度衰减和血流动力学，并通过量身定制的三维算法进一步可视化。
图1、a 层压在手表面的 OBS 的示意图。OBS基于光声效应，可以监测缺氧、外源性物质衰减、血管顺应性和内皮功能障碍。同时，OBS可以将血液信息映射到3D分布模型。b OBS 的布局示意图：光学（微透镜）和声学（压电层）元器件与连接件、绝缘、电极和封装层集成在一起。c 弯曲状态下的OBS照片。d 有柔性连接电路紧密贴合在人体手腕上的OBS照片。e 交叉分布的声学和光学节点。f , g 单个光学 ( f ) 和声学 ( g ) 节点的分解图。
OBS 为心血管研究测量静脉扩张性和动脉内皮功能提供了前所未有的解决方案。同时，它可以区分深层组织中的动静脉并记录其相应的缺氧状态，这是传统光学和超声解决方案无法实现的。
图2、a 用于活体动物测试的缺氧实验装置。b 氧饱和度和光声（OA）幅度之间的线性相关性。c 缺氧试验中OBS测得的OA信号峰值趋势线。橙色区域代表氮气供应的低氧状态，蓝线和红线分别是静脉和动脉的 OA 幅度。灰色区域代表血氧计测量的氧饱和度。d 在 30 秒、320 秒、520 秒、710 秒和 760 秒时三维重建的小鼠血氧图的快照图像。e OBS测量的OA信号峰峰值趋势线用于血管内外源性药物浓度监测。罗丹明B在血管（红线）和组织（蓝线）中的代谢呈现随时间衰减的趋势。f从 OBS 测量的血液中若丹明 B 的衰减趋势（红线）。g 体外荧光法测得的若丹明B在血液中的衰减趋势（红点）。h 在 200 秒、700 秒、1200 秒和 1900 秒时浓度衰减测试中小鼠若丹明 B 浓度的三维快照图像。血液中的若丹明 B 呈橙色，而组织中的若丹明 B 呈紫色。
2. 静脉闭塞监测
图3、a 手背静脉网轮廓照片，其中图像区域用白色虚线框表示。b OBS佩戴在手上的照片。c 来自 OBS 的 OA 信号峰到峰值的趋势线。d 20 秒、70 秒、120 秒和 170 秒时的三维血管图像快照，其中虚线显示静脉网轮廓。e 不同压力下峰值振幅与容积比的比较。随着闭塞压力的降低，峰值振幅和体积均减小。f 不同袖带压力下OBS测量的峰值振幅比变化与超声测量的静脉容积比变化之间的线性相关性。
3. 动脉闭塞监测
图4、桡动脉轮廓的照片，白色虚线框表示图像区域。b 佩戴在手腕上的 OBS 照片。c 从OBS获取的OA信号峰到峰值的趋势线。d 20 s、70 s、120 s 和 160 s 时的三维血液图像快照，虚线表示动脉血管轮廓。e – g 使用 OBS 进行血流介导的扩张 试验。所有信号均在闭塞解除后 60 秒内记录。峰值A代表袖带释放后一分钟内的最大血管容积。h OBS 和超声成像在测量血流介导扩张方面的定量比较。橙色用于 OBS 测量，绿色用于超声验证。
可见活体动物试验和人体试验的演示都显示出光声血液“听诊器”在心血管疾病诊断和预测方面的潜力。
原文：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40181-5
