Фотонная кожно-сенсорная сеть для сердечно-сосудистой системы

Jul 29, 2023

Компюскрипт, ООО

изображение: Рисунок 1. Заплатка с решеткой Брэгга из микрофибры (μFBG), напоминающая кожу.посмотреть больше

Кредит: ОАГ

В новой публикации Opto-Electronic Advances, 10.29026/oea.2023.230018 обсуждается пространственно-временной гемодинамический мониторинг с помощью настраиваемой группы решеток Брэгга из микроволокна, напоминающей кожу.

Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертности в мире. По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно из-за сердечно-сосудистых заболеваний умирают 17,9 миллиона человек. Для предупреждения и точного лечения сердечно-сосудистых заболеваний важно постоянно контролировать параметры гемодинамики, включая артериальное давление (АД), частоту сердечных сокращений (ЧСС), периферическое сопротивление (ПР) и эластичность сосудов. Мягкие носимые устройства хорошо подходят для мониторинга физиологических сигналов, таких как сигналы электрокардиограммы (ЭКГ), сигналы фонокардиограммы (ПКГ) и пульсовые волны, благодаря преимуществам возможности работы в режиме реального времени, механическим свойствам, подобным коже, и способности считывания с высоким SNR. Однако сердечно-сосудистая система человека сложна и имеет сетевое кровообращение. Монолитные гемодинамические параметры, достигаемые с помощью современных носимых устройств, не могут адекватно и точно отражать состояние здоровья региональной сосудистой сети. Методика пространственно-временного гемодинамического мониторинга остро необходима для удовлетворения постоянно растущей потребности в клиническом лечении и ежедневном контроле здоровья сердечно-сосудистой системы.

Метод распределенного оптического волокна (DOF), представленный волоконной брэгговской решеткой (FBG), идеально подходит для пространственно-временного гемодинамического мониторинга. Его пространственно-распределенные возможности многоканального зондирования, отличная временная синхронизация и отсутствие электромагнитных помех закладывают основу для многократного мониторинга физиологических сигналов с высоким SNR. Однако традиционное оптическое волокно имеет сильно отличающиеся механические свойства от кожи и низкую реакцию на физиологические сигналы, учитывая его жесткий и хрупкий кварцевый материал и толщину 125 мкм, что затрудняет его стабильное и комфортное ношение на теле. Для устранения механического несоответствия была использована технология гибкой упаковки. Тем не менее, чрезмерная толстая капсула и низкая чувствительность коммерческих устройств ВБР создают препятствия для обнаружения тонких физиологических сигналов, тем самым ограничивая их потенциальное применение в носимых устройствах. Доказано, что оптические микроволокна обладают превосходной гибкостью, возможностью настройки и большими исчезающими полями для обеспечения высокой чувствительности. Однако существующие устройства на основе оптического микроволокна трудно обеспечить пространственно-распределенные, синхронизированные по времени и многопараметрические возможности измерения без стратегии кодирования длины волны.

Авторы статьи предлагают метод пространственно-временного гемодинамического мониторинга на основе кожиподобной группы решеток из микроволокна. В этом методе используется микрофибра и технология ультратонкой гибкой упаковки для изготовления пластырей из микрофибры, похожих на кожу. За счет эффективного снижения эквивалентного модуля устройства и площади поперечного сечения микроволокна стрессоустойчивость пластыря улучшается на 2 порядка (чувствительность составляет 5,26 нм/Н при напряжении в пределах 50 мН). Он также демонстрирует отличную повторяемость и стабильность при 10 000 кругах нагрузки. Кроме того, в этом методе используется технология прямой записи фемтосекундным лазером для неинвазивного вписания решеток Брэгга во внутреннюю часть микроволокна, обеспечивая различные кодировки длин волн для нескольких участков микроволокна, обеспечивая возможности синхронного многоканального зондирования. Соединяя патчи из микроволоконной решетки (μFBG) последовательно, можно одновременно обнаруживать несколько физиологических сигналов в разных узлах человеческого тела и различать их по разным рабочим длинам волн. Поскольку в группе μFBG физиологические сигналы, основанные на свете, распространяются со скоростью, близкой к скорости света, временная синхронизация ограничивается только запросчиком FBG. Путем обнаружения сигнала проксимального баллистокардиографа (БЦЖ) и дистальной пульсовой волны на каждой поверхностной артерии сердечно-сосудистой системы человека и последующего расчета времени передачи пульсовой волны (ЧТВ) создается технология мониторинга пространственно-временной гемодинамики.