機(jī)械聲學(xué)傳感概念或支持開發(fā)其它無(wú)線柔性傳感系統(tǒng)

測(cè)量心率和脈搏波等低頻生理信號(hào)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，可用于早期診斷心血管異常活動(dòng)。柔性機(jī)械電子學(xué)的最新進(jìn)展代表了一種用于在運(yùn)動(dòng)情境中測(cè)量心率的微型可穿戴傳感器的新概念。然而，大多數(shù)機(jī)械傳感器要求傳感元件直接放置在皮膚表面上，這可能導(dǎo)致因皮膚明顯變形或皮膚物體相互作用的外力而引起的性能下降或設(shè)備損壞。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）的科研團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)柔性、可拉伸的機(jī)械聲學(xué)傳感平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，該傳感平臺(tái)中所有傳感組件均不會(huì)直接受到皮膚運(yùn)動(dòng)或變形的影響。相反，這種設(shè)計(jì)使得心血管脈搏波通過空心柔性微通道傳播，從而振動(dòng)壓阻傳感元件。實(shí)驗(yàn)研究表明，這套完整的無(wú)線傳感系統(tǒng)能夠探測(cè)脈搏波和心率，其結(jié)果與市售設(shè)備一致。這項(xiàng)研究所提出的機(jī)械聲學(xué)傳感概念還支持開發(fā)其它無(wú)線柔性傳感系統(tǒng)，例如用于檢測(cè)用戶喉部運(yùn)動(dòng)的吞咽模式的柔性空氣通道墊，從而為潛在的監(jiān)測(cè)和吞咽困難評(píng)估提供一個(gè)無(wú)創(chuàng)和遠(yuǎn)程平臺(tái)。

圖1展示了該研究用于心率測(cè)量應(yīng)用的傳感器的基本設(shè)計(jì)，由三個(gè)主要部件組成：（1）位于指甲上的壓阻式硅懸臂梁，用于探測(cè)聲波；（2）由Ecoflex制成的柔性可拉伸微通道，用于聲波傳播；（3）位于手腕上的集成藍(lán)牙模塊的放大電路，用于信號(hào)處理和記錄。因此，測(cè)量硅懸臂梁的動(dòng)態(tài)電阻變化有助于量化用戶的脈搏波和心率。

圖1 用于實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)脈搏波的可穿戴柔性機(jī)械聲學(xué)傳感裝置概述

圖2展示了可穿戴脈搏波傳感器的制造工藝示意圖。采用絕緣體上硅（SOI）晶圓制備硅懸臂梁，尺寸為300 nm × 100 μm × 100 μm。由于該傳感器的剛性組件位于身體的剛性部分（指甲），而柔性組件（Ecoflex膠套）與高度可變形的組織相接觸，因此該設(shè)計(jì)顯著改善了裝置與人體皮膚之間的保形接觸。

圖2 機(jī)械聲學(xué)傳感器及硅膠套的制造工藝

隨后，研究人員對(duì)該聲學(xué)傳感器進(jìn)行了表征，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。圖3A和圖3B展示了所制備硅聲學(xué)傳感器的照片。研究中使用高精度壓力校準(zhǔn)器（KAL200 Halstrup）來(lái)對(duì)壓阻傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)（如圖3C）。

圖3 聲學(xué)傳感器（心率測(cè)量裝置的主要傳感組件）的表征

接著，研究人員使用帶無(wú)線模塊的完全集成柔性傳感器對(duì)健康受試者進(jìn)行心率測(cè)量（如圖4A）。機(jī)械聲學(xué)傳感器能夠清晰地探測(cè)到脈搏波信號(hào)的關(guān)鍵特征，如收縮峰值、舒張峰值以及切跡等，并將結(jié)果顯示在智能手機(jī)APP上（如圖4B）。從健康受試者記錄的這些峰值的模式和時(shí)間間隔與典型的脈搏波形一致。

圖4 心率測(cè)量裝置的性能

采用與上述心率測(cè)量裝置類似的設(shè)計(jì)，研究人員進(jìn)一步展示了一種基于機(jī)械聲學(xué)傳感器的無(wú)創(chuàng)柔性吞咽模式檢測(cè)裝置。如圖5所示，該裝置沒有使用如心率測(cè)量裝置那樣的柔性硅膠套，而是使用柔性硅膠墊（Ecoflex-30）合圍了1 mm的空氣通道，從而形成壓力室，并使用Aerofilm（一種醫(yī)用級(jí)防水且可生物降解的粘合劑，如圖5A）將其附著在用戶的環(huán)狀軟骨上。硅膠墊通過硅膠管（如圖5B）和3D打印的外殼（如圖5C）連接到機(jī)械聲學(xué)傳感器上。相關(guān)測(cè)試結(jié)果如圖5E和5F所示。

圖5 基于柔性機(jī)械聲學(xué)傳感器的無(wú)線柔性吞咽模式檢測(cè)裝置

綜上所述，這項(xiàng)研究利用位于指甲上的壓阻式硅懸臂梁和纏繞指尖的Ecoflex通道，開發(fā)了一種高靈敏度機(jī)械聲學(xué)傳感器。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了裝置的耐用性，由于沒有傳感元件與皮膚直接接觸，從而減少了機(jī)械應(yīng)力和變形。柔性Ecoflex膠套（不含傳感元件）與皮膚接觸既舒適又牢固。將傳感裝置與無(wú)線模塊和智能手機(jī)APP連接，就能測(cè)量脈搏波形和心率（HR）。對(duì)健康受試者的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與市售設(shè)備一致，證明了該低成本、輕量級(jí)、可穿戴系統(tǒng)在個(gè)性化心血管監(jiān)測(cè)方面的能力。此外，基于類似的柔性機(jī)械聲學(xué)傳感器和柔性Ecoflex硅膠墊，這項(xiàng)研究還擴(kuò)展開發(fā)了一種無(wú)線柔性裝置，用于從用戶的喉部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)吞咽模式，從而為潛在的監(jiān)測(cè)和吞咽困難評(píng)估提供一個(gè)無(wú)創(chuàng)和遠(yuǎn)程平臺(tái)。

審核編輯：彭菁