不用超聲也能“看見”血管！用熱傳感精準(zhǔn)測量血管深度與直徑

心血管疾病長期威脅人類健康，而不少血管病變在早期往往缺乏明顯癥狀，等到患者出現(xiàn)不適時(shí)，病程可能已經(jīng)持續(xù)較長時(shí)間。近年來，柔性血流傳感器、可穿戴血壓計(jì)、光電容積脈搏波傳感器等技術(shù)快速發(fā)展，為連續(xù)監(jiān)測血流、血壓和脈搏提供了新工具。然而，這些設(shè)備通常需要借助組織—血管—血液之間的多物理場傳導(dǎo)模型，將皮膚表面的信號反推出血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。血管距離皮膚有多深、管腔有多粗，會(huì)直接影響熱量、聲波或機(jī)械振動(dòng)的傳播，但大多數(shù)可穿戴設(shè)備無法在測量現(xiàn)場同步獲得這些形態(tài)信息，由此帶來的系統(tǒng)誤差成為限制監(jiān)測精度的重要瓶頸。超聲雖然能夠觀察血管結(jié)構(gòu)，卻面臨設(shè)備復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理量大和長期居家使用成本較高等問題。

針對這一挑戰(zhàn)，上海交通大學(xué)林忠欽院士、彭林法教授、鄧宇君副教授聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院譚晉韻教授合作，提出了一種基于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的血管形態(tài)檢測方法，并研制出面積僅為20 × 2毫米的集成式傳感模塊。該裝置在皮膚表面進(jìn)行短時(shí)局部加熱，通過分析不同位置的溫度上升和熱弛豫速度，分別反演血管深度和內(nèi)徑。人體前臂靜脈實(shí)驗(yàn)顯示，裝置對血管深度和內(nèi)徑的測量精度分別可達(dá)到約0.3毫米和0.2毫米，與超聲成像結(jié)果接近，為可穿戴血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測補(bǔ)上了關(guān)鍵的“血管結(jié)構(gòu)信息”。相關(guān)成果以“Integrated thermal sensing of vascular morphology for haemodynamic monitoring”為題發(fā)表在《Nature Sensors》上，第一作者為Yuqi Tian。

研究的出發(fā)點(diǎn)很直觀：血液流動(dòng)能夠帶走熱量，因此皮膚下方是否存在血管，以及血管的位置和尺寸，會(huì)改變皮膚表面的升溫過程。如圖1a所示，當(dāng)加熱器對皮膚進(jìn)行局部熱刺激時(shí)，靠近血管的區(qū)域會(huì)受到血流對流換熱的明顯影響，熱量更容易被帶走；遠(yuǎn)離血管的位置則主要依靠組織內(nèi)部的緩慢熱傳導(dǎo)。研究人員沿加熱區(qū)域布置溫度傳感器陣列，記錄各點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線（圖1b）。結(jié)果顯示，大血管和小血管會(huì)產(chǎn)生不同寬度、不同陡峭程度的熱響應(yīng)分布。團(tuán)隊(duì)隨后在同一人的手臂上選擇粗細(xì)不同的淺表靜脈進(jìn)行測試（圖1c），傳感器得到的血管深度和內(nèi)徑與超聲結(jié)果高度接近（圖1d）。

圖1： 展示熱傳感檢測血管形態(tài)的基本原理。局部加熱后，血流改變皮膚表面的溫度響應(yīng)；傳感器通過空間溫度曲線區(qū)分大小血管，并與超聲測量進(jìn)行對照。

為了把溫度變化真正轉(zhuǎn)換為血管尺寸，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)分析了“熱弛豫時(shí)間常數(shù)τ”。研究人員將各測量點(diǎn)的升溫曲線歸一化，并把溫度達(dá)到穩(wěn)定值85%所需的時(shí)間定義為τ。血管正上方的熱量能夠較快被流動(dòng)血液帶走，因此τ較小；距離血管越遠(yuǎn)，熱量傳遞路徑越長，τ逐漸增大（圖2a、b）。更重要的是，血管越粗，其影響范圍越寬；血管埋得越深，皮膚表面的熱響應(yīng)越遲緩。多個(gè)測量點(diǎn)共同形成一條具有空間特征的τ曲線，不同血管深度和內(nèi)徑對應(yīng)不同的曲線“指紋”，從而使兩個(gè)參數(shù)能夠被同時(shí)解耦。

真實(shí)人體組織并不是均一材料，脂肪、皮膚和肌肉比例不同，會(huì)導(dǎo)致熱擴(kuò)散率存在明顯個(gè)體差異。為此，團(tuán)隊(duì)建立解析模型，將τ與組織熱擴(kuò)散率結(jié)合為等效血管熱阻參數(shù)RVequ。補(bǔ)償前，不同組織熱擴(kuò)散率造成的曲線變化可超過157%；補(bǔ)償后，其波動(dòng)下降至約15%（圖2c、d）。研究人員還考慮了用戶佩戴不準(zhǔn)和血流速度變化。通過將加熱器設(shè)計(jì)成20毫米寬、2毫米長的窄矩形結(jié)構(gòu)，并引入虛擬熱源補(bǔ)償算法，即使裝置偏離血管中心數(shù)毫米，仍能恢復(fù)近似對稱的特征曲線（圖2f—h）；較短的加熱長度則減少了低流速下熱邊界層造成的溫度畸變（圖2i—k）。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼顧了佩戴容錯(cuò)性和血流變化適應(yīng)性。

圖2： 解析血管深度、內(nèi)徑與熱弛豫時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系，并通過組織熱擴(kuò)散率補(bǔ)償、安裝偏差校正及加熱器尺寸優(yōu)化，提高檢測方法對個(gè)體差異、佩戴誤差和血流速度變化的適應(yīng)性。

在理論基礎(chǔ)上，研究人員將加熱、測溫、供電和無線通信集成到一枚柔性貼片中。如圖3a所示，裝置包含蛇形電阻加熱器、15個(gè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、柔性電路板、二氧化硅氣凝膠隔熱層、鋰電池以及藍(lán)牙和Wi-Fi通信模塊。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過聚二甲基硅氧烷封裝，可以彎曲并貼合手臂皮膚（圖3b）。工作時(shí)，傳感器以4赫茲頻率同步采集15個(gè)位置的溫度信號，再將數(shù)據(jù)無線傳輸至終端進(jìn)行計(jì)算（圖3c、d）。連續(xù)加熱100秒后，皮膚表面的最高溫升約為6 K，低于人體疼痛閾值（圖3e）；一塊90毫安時(shí)電池可支持54個(gè)完整檢測循環(huán)（圖3f），顯示出良好的便攜性和低功耗特征。

圖3： 展示柔性集成傳感模塊的結(jié)構(gòu)、電路和工作方式，包括加熱器、溫度傳感陣列、柔性電路板、隔熱層、電池及無線通信模塊，并驗(yàn)證其溫升安全性和續(xù)航能力。

隨后，團(tuán)隊(duì)搭建了具有不同血管深度和內(nèi)徑的體外循環(huán)模型，對裝置進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證（圖4a）。紅外熱成像清晰顯示，血管正上方溫度較快趨于穩(wěn)定，而兩側(cè)區(qū)域仍持續(xù)升溫（圖4b）。當(dāng)加熱功率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)功率及以上時(shí)，τ的偏差控制在3%以內(nèi)（圖4c）；當(dāng)模擬血流速度從2厘米每秒提高至24厘米每秒時(shí)，τ的變異系數(shù)僅為3.6%（圖4d）。即便傳感器發(fā)生1—3毫米的位置偏移，補(bǔ)償算法仍能恢復(fù)符合模型要求的曲線（圖4e）。在不同熱擴(kuò)散率的樹脂和硅膠組織模型中，實(shí)驗(yàn)曲線與有限元模擬結(jié)果的擬合優(yōu)度均超過0.98（圖4f、g）。綜合所有尺寸組合，血管深度和內(nèi)徑的平均絕對誤差分別為0.19毫米和0.16毫米（圖4h）。

圖4： 展示傳感器在體外血管循環(huán)模型中的性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加熱功率、血流速度和安裝偏移對檢測結(jié)果的影響，并證明血管深度與內(nèi)徑的測量結(jié)果接近模型真實(shí)值。

從體外模型走向活體組織，還需要解決毛細(xì)血管灌注帶來的干擾。皮膚和皮下組織中的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)同樣會(huì)通過血流帶走熱量，使各測量點(diǎn)的τ整體縮短，并可能被算法誤判為更粗或更淺的目標(biāo)血管（圖5a、b）。團(tuán)隊(duì)基于生物傳熱方程建立灌注校正公式，在脂肪和肌肉等不同組織參數(shù)下，校正后的曲線與理論參考值擬合優(yōu)度均超過0.99（圖5c、d）。在拉布拉多犬股動(dòng)脈實(shí)驗(yàn)中，未經(jīng)校正時(shí)，血管內(nèi)徑誤差高達(dá)47.5%；校正后，深度和內(nèi)徑誤差分別下降至2.8%和6.9%（圖5e—g）。另外兩只比格犬的動(dòng)脈和靜脈測試也獲得了相似改善（圖5h—j），表明該算法能夠有效削弱活體灌注造成的偏差。

圖5： 說明皮膚毛細(xì)血管灌注對熱弛豫曲線的干擾及其校正方法。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過灌注校正后，血管深度和內(nèi)徑的測量誤差明顯降低。

最終，研究人員在一名健康志愿者的前臂選擇4段淺表靜脈進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)（圖6a）。裝置工作100秒時(shí)，皮膚最高溫升仍維持在約6 K，反復(fù)加熱過程中皮膚溫度低于43 ℃（圖6b）。當(dāng)傳感器相對血管中心偏移0—3毫米時(shí)，經(jīng)過補(bǔ)償后的RVequ曲線仍保持穩(wěn)定（圖6d、e）。從原始溫度數(shù)據(jù)可以看到，小血管對應(yīng)的曲線更尖銳，大血管則形成更寬、更平緩的熱影響區(qū)（圖6f—h）。將4組曲線輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，傳感器測得的血管深度誤差不超過0.3毫米，內(nèi)徑誤差不超過0.5毫米，整體結(jié)果與超聲測量基本一致（圖6i）。

圖6： 展示人體前臂靜脈實(shí)驗(yàn)結(jié)果。傳感器能夠區(qū)分不同粗細(xì)和深度的淺表血管，其測量結(jié)果與臨床超聲結(jié)果基本一致。

小結(jié)

這項(xiàng)研究將血管形態(tài)從傳統(tǒng)的“成像問題”轉(zhuǎn)化為可以由短時(shí)熱響應(yīng)求解的“參數(shù)檢測問題”，在降低設(shè)備復(fù)雜度、數(shù)據(jù)量和功耗的同時(shí)，為可穿戴血流、血壓等傳感系統(tǒng)提供了原位結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)手段。不過，目前人體實(shí)驗(yàn)僅涉及一名健康志愿者和少量淺表靜脈，裝置主要適用于深度不超過6毫米的血管，復(fù)雜疾病狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)過程和高灌注組織中的表現(xiàn)仍需更大規(guī)模臨床驗(yàn)證。未來，結(jié)合物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和更完善的灌注模型，該技術(shù)有望用于血液透析通路、外周血管疾病及長期居家心血管監(jiān)測，也可能拓展到植入物融合、皮下藥物儲庫以及管道腐蝕等非破壞性檢測場景。