新型石墨烯血压传感器

自 1881 年基于充气袖带的血压计发明以来，血压测量并没有太大变化。人们可以使用该设备每天提供几次读数，但这不足以全面了解心血管健康。

由石墨烯制成的新型电子纹身连续数天读取血压。超薄的光传感器可以在患者进行日常活动时监测他们的血压。

“血压是一个非常重要的生命体征，”德州农工大学电气和计算机工程教授Roozbeh Jafari说。“压力可以杀人。压力会导致血压变化，但我们无法测量或理解它。因此，如果有一种技术可以连续测量血压，它就会改变游戏规则。”

患有心血管疾病和高血压的人必须定期监测血压。为了不引人注目地做到这一点，研究人员近年来开发了无袖带方法。有些人依靠可穿戴的声学传感器来测量穿过组织的超声信号的变化，或者依靠可以检测手腕血管扩张的压力传感器。它们体积庞大，可以四处移动，从而使测量信号失真。

基于光的传感器，例如健身手环和智能手表中的传感器，可以从皮肤毛细血管准确测量心率，但光穿透深度不足以检测血压波。

新的血压传感器使用由德克萨斯大学奥斯汀分校的电气和计算机工程教授Deji Akinwande于 2017 年发明的石墨烯电子纹身传感器。Jafari 和 Akinwande 合作开发了他们在Nature Nanotechnology上报道的新型石墨烯血压传感器。

为了制作纹身，研究人员在铜箔上生长一层或两层石墨烯，在上面涂上一层 200 纳米厚的超薄丙烯酸层，然后将其转移到商业临时纹身纸上。Akinwande 说，石墨烯的原子级厚度意味着贴片非常贴合皮肤，因此它们无需粘合剂即可粘贴并保持在原位。另外，佩戴者感觉不到它们。

为了确定血压，研究人员使用石墨烯传感器来测量生物阻抗——电流通过组织的电阻抗。他们将两排六个石墨烯纹身贴在参与者的手腕上。每一行都放在手腕两条主要动脉之一的正上方。每排最外面的贴片向手臂发送小电流，内部的四个贴片测量电压变化，这有助于计算阻抗。

Jafari 说，阻抗反映了动脉血容量的变化，但它并不直接转化为血压。因此，该团队构建了一种机器学习算法，以根据几个不同的参数准确估计血压，包括血容量变化、压力脉冲在两个部位之间的传递时间、脉冲到达两个动脉之间的时间差以及动脉的弹性特性。

作为演示，研究人员将石墨烯传感器放在七名人类参与者身上，并在志愿者进行积极锻炼时测量血压。为了确定准确性，他们将读数与使用金标准血压袖带技术获取的定期读数进行了比较。

一些参与者在 38°C 的室外进行了艰苦的步行，其他参与者则进行了俯卧撑。纹身在暴露于光和热或与水或汗水接触后不会退化。研究人员可以连续监测血压五个小时。Jafari 说，更长时间的监测很容易实现，因为纹身会持续 7 天。

第一代传感器是有线的。电压数据通过金属线从纹身传输到读出电子设备。但 Akinwande 表示，他们计划下一步开发无线传感器。“这需要我们设计一种可以无线发送数据的芯片，”他说。

审核编辑 ：李倩