每年，数百万人在没有任何明显预警的情况下经历心脏事件。然而，这些事件发生前的生理信号并非凭空出现。它们在症状首次被感知前的数小时甚至数天内，就在体内逐渐累积。
在生物医学研究中，科学家们正致力于开发能够检测这些细微症状前变化的传感器技术，为早期干预打开大门，并有望挽救生命。
预防心脏事件的死亡率
根据世界卫生组织的数据，心血管疾病是全球主要的死亡原因之一，每年夺走约1790万人的生命。该术语涵盖影响心脏和血管的一系列疾病，包括冠心病、脑血管疾病和风湿性心脏病。超过五分之四的心血管疾病死亡由心脏病发作和中风导致，其中三分之一的死亡发生在70岁之前，属于过早死亡。
世界卫生组织估计，超过75%的过早心血管疾病死亡是可以预防的，解决可改变的风险因素可以显著减轻患者和医疗系统的负担。
研究人员已经确定了关键的可改变的心血管疾病风险因素，包括高血压和糖尿病，其中许多因素可以通过持续的生理监测来干预，这为早期干预提供了一个有前景的途径。
急性心血管事件通常以可测量的病理生理变化为先兆，这些变化在症状出现前数小时或数天就已显现。例如，可通过心率变异性检测到的自主神经张力变化、缺血引起的ST段偏移、血流动力学不稳定，以及心肌肌钙蛋白I、B型利钠肽和C反应蛋白等心脏生物标志物的释放。这些症状前信号代表了一个及时临床干预的关键窗口期。
用于预测心脏事件的传感器
可穿戴和植入式传感器已经实现了在临床环境之外的持续生理监测，其中心电图、光电容积描记法和皮肤电反应分别针对电生理、血流动力学、自主神经和运动信号。当集成到多功能平台并与人工智能配对时，这些传感器有潜力在症状出现前检测到亚临床心脏异常。
已集成的用于心血管监测的传感器包括：
心电图
心电图是心血管监测的基石。心电图能够检测心律失常、心肌缺血和梗死，并指导药物治疗调整或手术干预等治疗决策。然而，最常用的粘性凝胶耦合电极系统不适合长期持续使用。可穿戴电子设备通过将电极嵌入到集成信号采集和处理的柔性基底中，展现出解决这一问题的潜力。
水下心电图能够在水下监测生命体征，从而可能预防心脏病发作——这是潜水员死亡的主要原因。科学家们开发了一种金属-聚合物复合基底和一种多巴胺聚合物涂层，能够在水下环境中可靠地获取心电图信号。这支持了游泳期间的实时心脏监测，增强了水下环境中的健康监测。
血压传感器
血压监测是心血管健康管理的核心，因为高血压是心脏病、中风和心力衰竭的主要可改变风险因素。持续监测血压动态对于有效的个人健康管理和心血管疾病预防至关重要。
超声传感器使用压电换能器发射脉冲，穿透组织并从深层结构反射回来，返回的回声被重新转换为电信号。可穿戴超声设备能够贴合皮肤轮廓，现在可以从深层动脉和静脉部位持续捕获血压波形。光电容积描记法传感器将发光二极管与光电探测器配对，以测量由搏动动脉中血容量变化调制的光。
皮肤电反应传感器
皮肤电反应传感器测量皮肤导电的能力，该特性会随着自主神经系统及其控制的汗腺的活动而变化。当一个人经历压力时，神经系统会刺激汗腺活动，增加皮肤表面的水分，从而提高其电导率。这些指标为了解自主神经系统状态以及心脏自主神经调节提供了窗口。在实践中，皮肤电反应传感器通常与光电容积描记法和心电图传感器结合在多模式可穿戴系统中，互补信号可以改善整体的生理图像。
机械声学传感器
机械传感器也已被改造成可穿戴的机械声学设备，用于心音采集和心血管疾病筛查。科学家们开发了一种柔软、轻便的表皮贴片，用于同时进行机械声学和电生理记录，并通过对心脏病患者的心音和心脏杂音识别进行了验证。发表在《传感器》杂志上的一项研究，研究人员开发了一种无线、贴合皮肤的胸骨贴片，集成了心音、心电图和光电容积描记法传感功能，用于门诊睡眠呼吸暂停评估，可捕获外周血氧饱和度、呼吸频率、心率变异性、射血前期和主动脉瓣开放力学。这种耦合方式可能对早期心血管疾病诊断具有变革性意义。
生物传感器
心肌肌钙蛋白I和心肌肌钙蛋白T是肌动蛋白-肌球蛋白复合物的调节蛋白。肌动蛋白和肌球蛋白是肌肉收缩的基础，而这些蛋白在心肌损伤时释放到循环中。因此，它们是心肌梗死检测的金标准生物标志物。电化学免疫传感器，通常是带有抗肌钙蛋白抗体功能化工作电极的三电极系统，将抗原结合转换为浓度依赖的电信号，从而能够在护理点进行高灵敏度的早期心肌梗死诊断。C反应蛋白是一种肝脏急性期蛋白，在全身性炎症中升高，并与动脉粥样硬化风险相关。基于表面等离子体共振的光学传感器以及集成到可穿戴智能贴片中的安培/电位电化学传感器，能够实现持续炎症监测，用于心血管疾病风险分层。
未来研究方向
对于可穿戴心血管监测，接下来的问题是相当基础的：人们能否在日常生活中佩戴这些设备？它们能否在长期使用中不成为累赘？是否有明确的证据表明它们能改善护理，而不仅仅是产生更多数据？在大型临床试验得到答案之前，这些承诺在很大程度上仍将只是承诺。如果答案是肯定的，其影响将是巨大的：心脏护理将逐步转向更早期的预警，而非事件发生后的治疗。
参考文献和延伸阅读
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