可穿戴壓電傳感器在肌少癥篩查的應(yīng)用

導(dǎo) 語
壓電傳感器具有高靈敏度、寬頻率響應(yīng)范圍和高線性度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合需要動態(tài)測量的應(yīng)用，特別是應(yīng)用于肌肉或骨骼，以捕獲肌肉收縮或關(guān)節(jié)彎曲期間產(chǎn)生的運(yùn)動信號。四川大學(xué)田曉寶教授團(tuán)隊，制備了一種具有高壓電響應(yīng)的壓電薄膜，并構(gòu)建了可穿戴下肢運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)，用于肌少癥群體的運(yùn)動監(jiān)測與早期篩查。

01研究背景
肌肉減少癥的特征是骨骼肌質(zhì)量、力量和功能的逐漸喪失，是一種普遍的年齡相關(guān)綜合征，與其他疾病的發(fā)病率和老年人死亡率增加有關(guān)。肌肉減少癥的后果不僅僅是身體損傷，還會影響整體健康、獨(dú)立性和生活質(zhì)量。早期篩查肌少癥對于及時干預(yù)和改善臨床結(jié)果至關(guān)重要。然而，評估肌肉質(zhì)量和功能的傳統(tǒng)方法，如雙能 X 射線吸收測定法 （DXA）、生物電阻抗分析 （BIA）、計算機(jī)斷層掃描 （CT） 和握力測量，由于成本高、復(fù)雜性高，并且需要專門的設(shè)備和專業(yè)知識，通常不適用于大規(guī)模篩查和長期監(jiān)測。日常體能活動評估是肌少癥篩查的重要方法，而這種評估方式具有延時性并且需要專業(yè)人員進(jìn)行，無法實(shí)時監(jiān)測自己的健康狀態(tài)。而近年來，可穿戴系統(tǒng)已成為一種很有前途的技術(shù)，可以通過監(jiān)測機(jī)械刺激、產(chǎn)生電信號和檢測身體運(yùn)動來滿足對肌少癥人群進(jìn)行識別與監(jiān)測這些要求。研究團(tuán)隊通過制備的鈦酸鋇壓電薄膜構(gòu)建了一個可穿戴下肢運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動狀態(tài)的監(jiān)測，并根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型實(shí)現(xiàn)了肌少癥人群的高準(zhǔn)確篩查。

圖1：基于壓電傳感器的可穿戴下肢運(yùn)動檢測系統(tǒng)

（圖片來自原文）

02研究概述 基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計，研究團(tuán)隊設(shè)計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運(yùn)動和電活動 研究團(tuán)隊提出了一種可穿戴護(hù)膝式的下肢運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)。該可穿戴系統(tǒng)結(jié)合了柔性壓電傳感器、信號處理電路以及無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動信號從采集到分析的一體化。其中，柔性壓電傳感器由鈦酸鋇、銀電極與聚酰亞胺柔性基底以三明治的結(jié)構(gòu)組成，以保證傳感器在使用過程中能夠保持柔性與舒適性。鈦酸鋇薄膜是采用溶膠-凝膠法和靜電紡絲法制備的一種壓電納米纖維薄膜，其具有較高的平均壓電系數(shù)(d33=74.2pC/N)。在傳感器輸出性能表征中，所制造的柔性壓電傳感器表現(xiàn)出出色的線性度，同時在響應(yīng)微小力時表現(xiàn)出較低的檢測限(0.2mN)。傳感器的輸出在經(jīng)過一周超過2.1萬次的循環(huán)僅降低了8.46%，并且基本不受溫度和濕度影響。

圖2：a) 和 b）傳感器輸出性能；c) 和 d)微小力作用下的輸出相應(yīng)

（圖片來自原文）

圖3：a)和 b）循環(huán)穩(wěn)定性；c)溫度穩(wěn)定性；d)濕度穩(wěn)定性

（圖片來自原文）

為了測試上述的可穿戴下肢運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)的性能，研究人員招募了 56 名參與者，包括 16 名肌肉減少癥患者（包括 10 名女性和 6 名男性）和 40 名非肌肉減少癥患者（包括 26 名女性和 14 名男性）。參與者被要求佩戴該運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)，然后進(jìn)行坐立測試5次。在測試過程中，要求參與者靜靜地站立5秒鐘，以確定識別系統(tǒng)上傳感器的信號基線，然后盡快進(jìn)行5次測試。識別系統(tǒng)在測試過程中收集膝關(guān)節(jié)、肱二頭肌和腓腸肌傳感器產(chǎn)生的運(yùn)動信號，采樣頻率為500Hz。所采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機(jī)，在特征提取和選擇后，利用機(jī)器學(xué)習(xí)對采集到的信號進(jìn)行分類，最終在男性和女性群體中分別取得了92.9%與98.1%的準(zhǔn)確率。

圖4：a) 運(yùn)動時傳感器輸出信號；b)用于肌少癥篩查的機(jī)器學(xué)習(xí)模型性能

（圖片來自原文）

03研究意義
本研究提出了一種用于下肢肌少癥識別與監(jiān)測的無線可穿戴系統(tǒng)，利用基于鈦酸鋇薄膜的三個壓電傳感器穿戴到下肢膝關(guān)節(jié)處。該系統(tǒng)從老年人的下肢運(yùn)動中收集運(yùn)動信號，并將其傳輸?shù)?a target="_blank">電子設(shè)備，以便通過藍(lán)牙進(jìn)行實(shí)時顯示和分析。這種可穿戴系統(tǒng)由于其優(yōu)異的性能，有望實(shí)現(xiàn)肌少癥群體的實(shí)時監(jiān)測，為肌肉減少癥的早期診斷和預(yù)防提供一種新的、方便的、家庭化的篩查解決方案。