【eScience】杨帆研究员发表《心跳电语：探索用于心血管健康监测的压电技术》

2025年6月，杨帆研究员在综合性顶级期刊《eScience》【IF36.6 ，Q1】杂志在线发表题名为“Heartbeat electro-language: Exploring piezoelectric technologies forcardiovascular health monitoring.”——心跳电语：探索用于心血管健康监测的压电技术的综述论文。瑞金医院/上海市伤骨科研究所杨帆研究员、叶晓峰教授；香港理工大学王钻开教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所（现：清华大学）李舟长聘副教授/研究员；柯赟博士研究生、李通博士、李珺助理教授为论文共同第一作者。

doi：10.1016/j.esci.2025.100436.

心血管疾病（CVD）长期位居全球死亡原因首位，使得对高效、精准且可持续的健康监测提出了迫切需求。现有临床监测体系以心电图（ECG）及动态心电（Holter）等为代表，虽在心律失常诊断等方面证据充分，但在真实生活场景的连续、舒适、低负担监测上仍存在不足，例如贴附电极引起的皮肤刺激与依从性下降、长期佩戴不便、续航与数据连续性受限等，难以支撑动态环境下的长期随访与风险预警。近年来，压电传感技术因其柔性贴合能力、对微弱应变/振动的高灵敏力–电转换特性及潜在自供能优势，为获取脉搏波、心音以及与血流动力学相关的微弱机械信号提供了新的路径，并有望与AI算法和IoT架构协同，推动健康管理从离散测量走向全周期连续监控，从单参数评估迈向多模态、多参数联合预测与预警。然而，压电心血管监测的规模化转化仍面临若干关键瓶颈，包括材料生物相容性与长期稳定封装、界面力学耦合与信号一致性、长期漂移与个体差异校准，以及标准化互操作与临床验证体系的建立等。因此，系统梳理压电心血管监测的技术演进、核心机理与材料/器件设计策略，并总结其转化挑战与未来方向，具有重要的学术意义与应用价值。

用于心血管监测的压电技术基础、材料体系与应用

本综述系统总结了压电传感技术在心血管健康监测中的代表性进展，显示其在柔性贴合与微弱力学信号高效转导方面具备独特优势，可支撑脉搏波、心音等信号的高质量采集，并进一步用于血流动力学相关参数的连续评估。有望提升心血管疾病的早期筛查效率与连续管理能力，助力慢病数字化转型与远程医疗发展。其在居家监测、术后随访、个性化干预等方面展现出广阔的应用前景，兼具科研指导意义与社会现实价值。

英文摘要：

Cardiovascular diseases remain the leading cause of global morbidity and mortality, underscoring the urgent need for advanced technologies capable of continuous, noninvasive, and intelligent monitoring. Piezoelectric sensors, owing to their inherent electromechanical transduction, high sensitivity, and self-powered operation, offer a compelling pathway for next-generation cardiovascular health monitoring. In this review, we summarize recent advances in piezoelectric materials, from zero-to three-dimensional architectures, and their integration into wearable and implantable platforms. Key applications include the assessment of arterial health via pulse wave velocity and vascular stiffness, cuffless blood pressure estimation, and the monitoring of cardiopulmonary functions such as heart rate, respiratory rhythm, and cardiac acoustics. We also highlight emerging strategies such as passive wireless communication enabled by surface acoustic wave principles, and the development of multimodal systems that concurrently capture mechanical, optical, and chemical signals. The convergence of piezoelectric technologies with artificial intelligence and Internet of Things frameworks enables real-time signal processing, remote access, and personalized medical interventions. Finally, we discuss current challenges in material biocompatibility, encapsulation, signal fidelity, and clinical translation, and outline future directions for advancing high-performance piezoelectric systems for intelligent cardiovascular diagnostics and connected healthcare.

中文摘要：

心血管疾病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因，因此迫切需要能够进行连续、无创和智能监测的先进技术。压电传感器因其固有的机电传导、高灵敏度和自供电运行特性，为下一代心血管健康监测提供了一条引人注目的途径。在这篇综述中，我们总结了压电材料从零到三维架构的最新进展，以及它们与可穿戴和植入式平台的整合。主要应用包括通过脉搏波速度和血管僵硬度评估动脉健康状况、无袖带血压估算以及心率、呼吸节奏和心脏声学等心肺功能监测。我们还重点介绍了新兴战略，如利用表面声波原理实现无源无线通信，以及开发可同时捕捉机械、光学和化学信号的多模态系统。压电技术与人工智能和物联网框架的融合实现了实时信号处理、远程访问和个性化医疗干预。最后，我们讨论了当前在材料生物相容性、封装、信号保真度和临床转化方面面临的挑战，并概述了推进用于智能心血管诊断和互联医疗的高性能压电系统的未来发展方向。

作者介绍：

杨帆，教授/研究员，博士生导师，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所压电生物材料与应用课题组组长，国家及上海市人才项目获得者，上海市东方学者特聘教授，上海科技青年35人引领计划（U35）入选者。研究方向：压电生物材料的合成及其医学诊疗应用；

叶晓峰，上海交通大学特聘教授，主任医师，博士生导师，国家杰青。现任瑞金医院心外科科室副主任，上海市医师协会心血管外科分会副会长，中华医学会胸心血管外科学会青年委员，中国医师协会心血管外科分会委员，美国胸心外科学会国际会员。研究方向：心血管组织工程、心脏局部靶向治疗新型高分子材料的转化医学研究。

柯赟，博士研究生，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：压电生物材料的医学监测与诊疗应用。