一種基于柔性生物阻抗電極的傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

★??研究背景

預(yù)計(jì)環(huán)境變化會(huì)引起牡蠣的應(yīng)激反應(yīng)，影響其活力和肉質(zhì)。然而，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牡蠣的應(yīng)激水平仍然具有挑戰(zhàn)性。在本研究中，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張小栓教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種柔性生物阻抗傳感器系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牡蠣在不同應(yīng)激方案下的生物阻抗和相位角。為了適應(yīng)牡蠣標(biāo)本的雙殼結(jié)構(gòu)，采用了3個(gè)生物阻抗測(cè)量位置，即右-右殼、左-左殼和左-右殼。首先建立了基于主成分分析結(jié)合支持向量機(jī)(PCA-SVM)的應(yīng)力水平預(yù)測(cè)模型，并對(duì)柔性傳感器系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該柔性傳感器系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性。最佳預(yù)測(cè)位置(右-右-殼)的平均準(zhǔn)確率、召回率和f1得分分別為95.15%、93.94%和93.94%。本研究結(jié)果可推廣到其他活體動(dòng)物應(yīng)激監(jiān)測(cè)應(yīng)用，為監(jiān)測(cè)活體動(dòng)物健康狀況提供一種手段。

★? 文章解析

研究采用兩個(gè)柔性電極對(duì)牡蠣的生物阻抗和相位角進(jìn)行了無(wú)損測(cè)量。采用Right-Right-Shell、Left-Left-Shell和Left-Right-Shell三種生物阻抗測(cè)量位置來(lái)適應(yīng)牡蠣的雙殼結(jié)構(gòu)，如圖1(a)、(b)和(c)所示。圖1(d)為牡蠣的生物阻抗傳感機(jī)制。電極粘附在牡蠣殼表面，激發(fā)信號(hào)通過(guò)電極和牡蠣殼傳導(dǎo)到牡蠣組織和細(xì)胞。生物組織的細(xì)胞膜具有電容性，而細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液具有電阻性。在低頻時(shí)，激勵(lì)信號(hào)難以通過(guò)具有大電容抗的細(xì)胞膜。隨著頻率的增加，電流穿過(guò)細(xì)胞膜，形成內(nèi)部導(dǎo)電電路，導(dǎo)致生物阻抗和細(xì)胞膜容抗降低。本研究采用矢量電壓/電流法測(cè)量牡蠣的生物阻抗和相角，如圖1(e)所示。

圖1：生物阻抗測(cè)量位置和傳感機(jī)制

設(shè)計(jì)了一種尺寸為130 mm × 60 mm × 25 mm的基于柔性生物阻抗電極(尺寸為50 mm × 50 mm)的傳感器系統(tǒng)，用于獲取活體牡蠣的生物阻抗和相角信息。主要包括控制器(Arduino Nano)、存儲(chǔ)模塊(MicroSD模塊)、通信模塊(JDY-31)、生物阻抗測(cè)量模塊(AD5933)和柔性生物阻抗傳感電極，如圖2所示。

圖 2：柔性傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用柔性電極監(jiān)測(cè)牡蠣的生物阻抗和相位角，如圖3(a)所示。柔性電極的厚度為1089.699 μm，各層厚度如圖3(b)所示。非織造布層、導(dǎo)電層、凝膠層、包封層的厚度從下到上依次為332.704 μm、56.697 μm、603.727 μm、96.571 μm。凝膠層被設(shè)計(jì)得更厚，以提高電極的柔韌性、粘性和吸水性。柔性電極的非織造布纖維尺寸約為27 μm。軋制點(diǎn)采用熱軋工藝生產(chǎn)。非織造布層具有絕緣、透氣性和不透水性，有效地將電極與環(huán)境水隔離，如圖3(c)和(d)所示。致密導(dǎo)電碳膜層與摻雜碳纖維長(zhǎng)絲的硅膠層的結(jié)合，在傳感器系統(tǒng)與牡蠣之間形成了有效的導(dǎo)電通道，如圖3(e)和(f)所示。如圖3(g)所示，透明硅膠造成的直徑約為25 μm?？紤]牡蠣自身水分的影響，采用接觸角儀測(cè)試電極的吸水性能。初始電極接觸角為71.14?，10分鐘后逐漸減小至穩(wěn)定(36.09?)。左接觸角略大于右接觸角。結(jié)果表明，良好的親水性可以提高電極的柔韌性和導(dǎo)電性，同時(shí)減少電極粘附位置的位移和凝膠層水分的損失，如圖6(h)所示。

圖 3：柔性電極形貌表征

系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的性能分析如圖4所示。首先，在激勵(lì)電壓為2 Vp-p、1 Vp-p、0.4Vp-p和0.2 Vp-p的情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性生物阻抗傳感器系統(tǒng)的精度進(jìn)行了校準(zhǔn)和測(cè)試。如圖4(a)所示，在激勵(lì)電壓為2 Vp-p和1Vp-p的情況下，測(cè)量結(jié)果在每個(gè)頻率下都更加穩(wěn)定。然而，為了避免破壞牡蠣的體內(nèi)平衡，對(duì)傳感器系統(tǒng)施加了1Vp-p的激勵(lì)電壓。此外，測(cè)試了柔性電極的彎曲穩(wěn)定性和吸水穩(wěn)定性，如圖4(b)和(c)所示。在每個(gè)頻率下，隨著彎曲角度的增大，電極阻抗和相位角逐漸增大。電極阻抗和相位角隨著吸水率的增加而逐漸減小。吸水后電極相角比吸水前增大。雖然與牡蠣阻抗相比，測(cè)量的電極阻抗可以忽略不計(jì)，但長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)更重要的是關(guān)注電極阻抗的穩(wěn)定性。如圖44(d)所示，在最大彎曲(135?)和吸水(3 mL)后，測(cè)量電極阻抗和相位角近30,000 s。最大彎曲和吸水后電極阻抗的相對(duì)變化率分別為4.82%和1.18%。相角的相對(duì)變化率分別為2.38%和2.43%。電極阻抗和相角變化不顯著，柔性電極仍能正常工作。因此，設(shè)計(jì)的柔性生物阻抗傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了牡蠣生物阻抗和相位角的監(jiān)測(cè)。

圖 4：系統(tǒng)性能測(cè)試

圖 5：生物阻抗和相位角在不同測(cè)量位置的變化

牡蠣在不同測(cè)量位置的生物阻抗和相位角的動(dòng)態(tài)變化如圖5所示。三個(gè)測(cè)量位置的生物阻抗和相位角結(jié)果隨時(shí)間的變化相似。牡蠣的生物阻抗和相位角先增大后減小，最后逐漸穩(wěn)定。在左-左殼體位置測(cè)得的生物阻抗和相位角范圍較大。原因可能是牡蠣的左殼凹凸不平，阻礙了電流的傳輸。牡蠣的生物阻抗隨頻率的增加而減小，而相位角則相反。在低頻時(shí)，激勵(lì)信號(hào)僅通過(guò)細(xì)胞外液，從而丟失細(xì)胞內(nèi)信息。相反，在高頻率下，信號(hào)可以穿過(guò)細(xì)胞膜，導(dǎo)致更小的生物阻抗和更大的相角。隨著頻率的增加，細(xì)胞膜的電容特性減弱，導(dǎo)致高頻之間生物阻抗和相角值的可變性降低。因此，生物阻抗和相位角隨頻率的動(dòng)態(tài)變化反映了牡蠣細(xì)胞膜的電容特性。在脅迫期開(kāi)始時(shí)，生物阻抗和相位角有輕微增大的趨勢(shì)。一方面，可能是牡蠣在無(wú)水環(huán)境中的水分耗散降低了組織電導(dǎo)率。另一方面，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備期引發(fā)的牡蠣細(xì)胞應(yīng)力損傷得到修復(fù)。這使得生物阻抗從最初的下降中恢復(fù)。但隨著脅迫水平的增加，牡蠣的生存能力相應(yīng)降低。空氣暴露和低溫脅迫改變了牡蠣細(xì)胞膜的流動(dòng)性，引起組織損傷。牡蠣組織變質(zhì)，細(xì)胞膜溶解破裂。牡蠣組織逐漸從電阻和電容混合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧冸娮锠顟B(tài)。在此條件下，牡蠣的相位角逐漸接近0?，生物阻抗降低。

根據(jù)皮質(zhì)醇和乳酸分析活牡蠣的應(yīng)激水平，如圖6所示。皮質(zhì)醇和乳酸在空氣暴露、溫度波動(dòng)和缺氧環(huán)境下同步變化，以響應(yīng)牡蠣的應(yīng)激水平。根據(jù)皮質(zhì)醇和乳酸的變化，將牡蠣的應(yīng)激水平分為急性應(yīng)激期(S1)、適應(yīng)性應(yīng)激期(S2)和穩(wěn)定應(yīng)激期(S3)。急性應(yīng)激期和適應(yīng)應(yīng)激期皮質(zhì)醇和乳酸的日平均變化均高于穩(wěn)定應(yīng)激期。在早期應(yīng)激期，由于空氣暴露和低溫，牡蠣能夠通過(guò)各種代謝調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化。然而，慢性應(yīng)激會(huì)降低牡蠣的活力和身體代謝水平，導(dǎo)致皮質(zhì)醇和乳酸水平的緩慢變化。

圖 6：生理指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化

圖 7：基于PCA-SVM的應(yīng)激預(yù)測(cè)

如圖7所示，在使用SVM模型預(yù)測(cè)牡蠣的應(yīng)力水平之前，對(duì)模型因子進(jìn)行交叉驗(yàn)證優(yōu)化。交叉驗(yàn)證結(jié)果表明，gamma值為6的多項(xiàng)式核函數(shù)(poly)最適合SVM模型。在右-右-殼、左-右-殼和左-左-殼測(cè)量位置的準(zhǔn)確度分別為93.94%、93.94%和90.91%。與更厚、更不均勻的左殼相比，電極與右殼表面的粘附更緊密，電流路徑更穩(wěn)定。在右-右殼和左-右殼測(cè)量位置預(yù)測(cè)精度較高。

審核編輯：劉清