生物医学工程新技术在慢性心力衰竭远程监测中的应用进展

杨举微 胡奕然, 华伟

慢性心力衰竭（心衰）是各种原因导致的心脏结构或功能损伤引起的一组临床综合征。据统计，我国35 岁以上人群中心衰发病率约为1.3%，总患病人数约890 万[1]，其中急性心衰住院患者两年内死亡率高达26.9%[2]。与此同时，心衰再住院率居高不下，1年内再住院率高达13.6%[3]。随着智能电子设备、传感器、云计算等技术的不断进步，远程监测技术在心衰管理中扮演着重要的角色，结合人工智能和数据分析，可为心衰患者提供更加个性化和精细的治疗建议。本文以生物医学工程最新技术为视角，总结其在慢性心衰远程监测领域的应用现状，提供现有临床证据，并对未来的发展前景进行展望。

1 基础体征监测

1.1 血压

高血压是心衰的常见病因，且在射血分数保留的心衰患者中最为显著。血压控制不佳可能会导致心衰失代偿，因此有必要监测心衰患者的血压。根据机制不同，目前远程血压监测技术分为三种[4]。

（1）柔性机械传感器：传感方式包括压阻式、电容式、压电式和摩擦电式，其共同特点是在两个电极之间夹有一个传感组件。将这些传感器贴在靠近动脉的皮肤上，可监测桡动脉或颈动脉的局部振动，通过机电效应获得血压和脉搏参数。Meng 等[5]研发的柔性自供电压力感受器采用了纳米线编织结构（图1A），不仅改善了摩擦生电效能，还能更灵敏地对外部细微机械振动做出反应，可以放置在指尖、手腕、脚踝等部位，捕捉血压变化，并转换成电信号，从而实现对脉搏、血压的连续性监测。受剪纸技术启示，该团队进一步优化压力感受器的结构，以提升其性能（图1B）[6]；优化后的传感器不仅具有更高的灵敏度和更广泛的响应范围，还可在有运动伪影的情况下精确提取脉搏波峰值，提高了测量的准确度。

图1 用于血压监测的柔性贴片

（2）柔性光学传感器：当光照射生物组织时，光子被细胞和蛋白质吸收和散射，与深部组织相互作用后发生反射，故可通过皮肤毛细血管反射光的强度来判断每次心跳引起的血容量的微小改变，从而获得血压等指标。其中最常用的是光电容积描记法（PPG），它与其他传感器集成后可得到多个与血压相关的参数，如脉冲到达时间、脉冲传输时间等，以实现持续血压监测[7]。Lee 等[8]采用发射红光的有机发光二极管（OLED）阵列作为光源，可顺应性地贴合在人体手腕上，保证在手腕屈曲和伸展等多种机械应变的情况下高质量地采集数据（图1C）。

（3）柔性声学传感器：其与超声检查的原理类似。声学传感器能够基于高频超声波发射和接收来连续记录血管的直径，以获得脉冲波形，再通过一定的算法转化为血压。相较光学传感，声波可到达更深的位置，因此可用于跟踪监测深处组织的动脉搏动，如中心动脉压的测量。利用该原理，Wang 等[9]开发出一种超薄柔性可穿戴的超声波设备（图1D），厚度约240 μm，在实现测量中心动脉压的同时，还能与皮肤保持较好的贴合性。

1.2 心电图、心率和心率变异性

心衰患者特别是因心衰再住院的患者住院前通常心率增快，而心率变异性呈下降趋势。而心电图检查不仅是可疑心衰患者的常规检查，也是心衰患者的重要随访项目之一。

目前无创心电图监测主要使用表皮电极技术，可细分为湿电极和干电极。湿电极采用了低阻抗水凝胶，具有超柔性和良好的透气性，其低杨氏模量的特点可实现与皮肤的较好接触，从而保证更优质的信号质量。如今，高吸湿性氯化锂盐的应用解决了湿电极易蒸发失水的缺点。另一方面，将其他材料如2D 材料中的各种X-烯（Xene）掺杂在水凝胶基质中，可改善其力学性能，提高其延展性和稳定性[10]。相较于湿电极，干电极可直接通过电极表面的导电介质获取电信号，更加便利卫生、舒适耐用。仿生干电极技术使得皮肤与电极之间的粘附更紧密，实现最佳性能，如Kim 等[11]基于树蛙脚垫的微通道网络结构和章鱼吸盘结构而开发的具有高透气性、排水性的粘性皮肤贴片（图2A），Min 等[12]基于龙虱前腿吸盘设计的电粘合贴片（图2B）等。

图2 仿生及植入式电极贴片

此外，植入式的电极贴片也可实时监测心电图以及心率。这一领域以往最大的挑战在于刚性材料贴片与心肌的贴合，而柔性器件联合3D 打印技术的研发解决了这一问题。Xu 等[13]通过3D 打印技术创建了与心外膜形状精确匹配的3D 弹性膜，提供了一个具有良好机械稳定性的平台，可集成多种传感器（图2C）。Sim 等[14]报道的用全橡胶电子元件制成的贴片包含一个橡胶晶体管阵列，可使用有源矩阵多路复用映射生物电势，同时从多个部位收集心外膜温度、心率以及电生理信号等信息（图2D）。

上述技术为心衰患者心率和心电图的监测和管理提供了全新的途径，可集成到多种设备中，如智能手表、臂章、胸贴等。纳入超40 万例受试者的苹果心脏研究（Apple Heart Study）显示，智能手表对心房颤动的阳性预测值达84%[15]。由中国人民解放军总医院主导的华为心脏研究（HUAWEI Heart Study）聚焦于搭载PPG 技术的华为智能手环和手表结合智能手机在健康人群中筛查心房颤动的效能，纳入超18 万例受试者，经筛选发现疑似心房颤动患者262例，最终确诊227 例，占比达87%[16]。这些大规模研究凸显了这些技术在心衰患者中监测心房颤动的潜在应用价值。

1.3 身体活动

在心衰领域，身体活动不仅是评估患者心功能状态的依据（如NYHA 心功能分级、6 分钟步行距离等），也是远程管理参考的重要参数。

加速度计是一种通过连续测量三个正交方向的加速度来监测身体活动情况的技术。其中压电式加速度计应用最为广泛，当传感器感受加速度时，压电器件产生形变，使得电荷分布发生变化，并将机械刺激信号转化为电信号，其幅度与加速度的大小成正比。根据这个原理可获得不同参数，包括患者身体活动的持续时间、频率和强度，从而判断患者身体活动特点。目前加速度计在多个领域均有应用，已经成为大多数智能手机硬件的一部分，且还能集成在各种可穿戴设备如运动手环、手表等，同时也可与PPG 等其他传感技术结合使用。NEAT-HFpEF研究利用加速度计监测身体活动，发现在射血分数保留的心衰患者中，日常身体活动水平低与预后不良事件显著相关，包括因心衰住院、呼吸暂停、糖尿病、心室壁较厚等[17]，显示了加速度计在心衰患者中的潜在应用价值。

另一类监测技术是计步器，基于原理可分为弹簧杠杆式和压电式。前者包括一个弹簧悬挂的水平杠杆臂，可随着运动上下移动，当杠杆臂与传感器接触时电路连通，计步1 次。后者使用一段带有重物的水平悬臂，当人体运动时悬臂发生形变，压缩压电晶体，从而产生与加速度正相关的电压。一项Meta 分析显示，采用可穿戴身体活动监测设备如计步器、健身跟踪器、加速度计等，可明显改善身体活动水平，尤其是计步器[18]。

值得一提的是，对于上述提及的基础生命体征监测的实际临床效益，目前的证据并不一致。一些小规模研究显示，监测血压、心率、体重等指标有利于降低心衰再住院率及改善患者的生活质量[19]。但一些大规模随机对照试验并未显示阳性结果[20-21]。患者依从性差、数据处理复杂、运动伪影等多种因素可能导致临床效益的降低[22]。因此，未来需要开展更多高质量的临床研究，以确保得出更可靠的结论。

2 血液动力学监测

心衰急性加重最主要的原因是肺部淤血，国内外指南均推荐通过每日监测体重变化来判断是否存在液体潴留，但该方法在实际应用时会受多种因素影响，灵敏度较低。X 线胸片、体格检查等常规检查手段的准确度亦不高，难以及时评估患者的充血程度。目前生物医学工程新技术在血液动力学监测方面开始崭露头角，其应用和发展呈现迅猛态势。

2.1 心腔内压力

肺动脉压监测是目前最有前景的领域，尤其是在CardioMEMS 系统问世以后。CardioMEMS 是一种使用微机电系统技术的无线压敏器件（图3A），其传感器由硅胶密封，内含电感线圈和压敏电容，在特定频率下形成谐振电路。血压波动可影响谐振频率，通过跟踪谐振频率的变化即可实现对肺动脉压的监测。基于该装置开展的CHAMPION-HF 研究纳入550 例患者，发现试验组在主要终点事件上有明显改善，6 个月内心衰住院风险降低了28%，且装置或系统相关并发症的发生率仅1.4%[23]。2022 年GUIDE-HF 研究进一步证实了肺动脉压监测在心衰程度更轻的患者中的应用价值，再次肯定了血液动力学指导的心衰管理为早期心衰患者带来的获益，并使得CardioMEMS 的应用范围进一步扩大[24]。另一种可植入式肺动脉压监测器Cordella（图3B）由美国Endotronix 公司研发，通过特定的导管装置从股静脉输送至右肺动脉处进行肺动脉压监测，目前正在开展的PROACTIVE-HF 研究在评估其在大范围人群中的效益[25]。总体来说，肺动脉压监测比基础体征远程监测的效果更佳，且植入式的装置不依赖患者的自主性，进一步提高了其依从性。

图3 用于心腔内压力监测的代表性产品

左心房压力升高与肺充血有很强的相关性。其中，具有代表性的HeartPOD 系统由植入式传感器导线和线圈组成（图3C），采用右心导管术将其固定在房间隔附近，通过外置的患者咨询模块测量大气压，再减去传感器测量的绝对压力获得左心房压力数值。LAPTOP-HF 研究发现，与接受单纯药物治疗的患者相比，使用左心房压力监测的患者心衰住院事件发生率有所下降[26]，说明左心房压力监测仍然具有潜力。而以色列Vectorious 公司研发的新一代左心房压力监测系统——V-LAP 系统（图3D）同为微型传感器，采用了镍钛诺材料编织的双盘式固定器件，打开后可固定在房间隔两侧直接监测左心房压力。首次人体试验VECTOR-HF 研究已在30例患者中初步证实了V-LAP 系统的安全性和可行性[27]，Ⅱ期临床试验正在进行中。

2.2 肺液体量

肺液体量是反映肺血管外充血的良好指标，通过监测肺充血可预测心衰住院的发生。目前有两种方式来检测肺液体量，即胸阻抗和远程介电传感（ReDS）。

正常肺内主要由气体组成，导电性差，而渗出液的导电性能良好，所以胸阻抗的下降可提示肺内液体增多。根据该原理衍生的技术可集成在植入式电子器械上，监测心脏内的电极和胸壁上的脉冲发生器之间的电阻抗，如美国Medtronic 公司研发的OptiVol 功能。早期研究表明，通过对患者进行胸阻抗监测，在心衰住院发生之前就能检测到肺部液体量的增加，但近十年的数据结果却并不一致。一项纳入14 项研究、5 454 例患者的Meta 分析提示，与对照组患者相比，使用植入式装置监测的患者在心衰住院、全因死亡风险等方面无显著差别[28]。2022年一项纳入2 494 例患者的Meta 分析显示，基于胸阻抗监测的远程监控在因心衰或心血管疾病住院的复合结果上也并未显现出优势（HR=1.10）[29]。

ReDS 是一种基于微型雷达系统的技术，利用低功率电磁信号，通过可穿戴背心上的两个传感器来测量组织的介电特性。由于液体与空气的介电系数相差较大，因此可通过测量整个肺的介电系数来评估胸腔内液体含量。SMILE 研究纳入268 例心衰患者，发现使用ReDS 系统进行监测管理的患者心衰住院风险降低了近50%[30]。Amir 等[31]的一项研究发现，使用ReDS 系统进行监测和管理可显著降低急性失代偿性心衰患者的再住院率，降幅高达87%。该系统已通过FDA 批准上市，但仍需进一步的研究来验证相关结果。

3 心功能监测

超声心动图是评价心功能的首选检查，可穿戴或植入式医疗电子设备的使用可提供极大的便利性。

Wang 等[32]研发出一款生物粘附超声装置（图4A、4B），该设备由一薄而坚硬的超声探头组成，通过一层生物粘附性良好的水凝胶-弹性体混合物耦合层附着在皮肤上，在最大限度地减少耦合剂声学衰减的同时增强其粘附性，不仅有利于超声穿透，还能减少皮肤变形对探头的影响，可提供多个器官包括深部血管的实时高分辨率图像，并有48 小时连续成像的能力。 Hu 等[33]从超声探头的角度进行创新，研发了一款仅邮票大小的柔性超声成像器（图4C），其超声探头由压电换能器阵列、液态金属复合电极和三嵌段共聚物封装组成。高密度多层可伸缩电极可提供卓越的电导率和可塑形性，并且压电元件正交方式排列的设计使得该贴片能在无需手动旋转探头的情况下提供心脏的全方位视图。研究团队进行了负荷超声心动图的测试，发现在受试者高强度运动的情况下仍能保持不间断的图像采集。借助深度学习算法，该设备可实时分析每搏输出量、射血分数和心输出量等指标。该团队于2023 年进一步研发出可穿戴式的超声系统USoP（图4D），将超声探头和微型无线控制电子器件集成，摆脱了有线连接的束缚[34]。其控制电子设备由搭载模拟前端和数据采集模块的柔性电路板构成，通过多个组件的顺序控制完成超声传感。USoP 同样使用机器学习和深度学习技术，通过训练可自动选择最佳信道并实现自动化数据采集处理。

图4 代表性柔性超声器械

4 挑战及未来

生物医学工程新技术的发展为心衰远程监测带来了前所未有的机会。尽管这些创新不断涌现，在多数情况下，它们仅在受控的实验室环境中进行最佳条件下的测试，难以进一步应用于临床实践。有效的成果转化是亟需攻克的难关。另一个显著问题是信息的处理和读取。传感器在实际应用中会受到环境噪声的干扰，影响信息质量。因此，诸如UsoP系统的自动化传感器激活和信息处理方式将会成为未来研究的一个重要方向。

最后，不管是植入式设备还是可穿戴设备，都面临着使用寿命的问题。除了需要探索更优的能量收集策略，如摩擦纳米发电机（TENG）或压电纳米发电机（PENG）等技术，还可以考虑优化能量的存储技术，以确保设备的稳定运行，一方面保证长期监测的持续性，另一方面也有助于降低设备维护和更换的成本。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突