受海龟听觉启发的新型MEMS心脏监测系统
2024-05-07 20:55:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
中北大学的研究人员构建了一个具有类似功能的心脏监测系统。他们利用微小的MEMS悬臂梁传感器制作了一个模仿海龟耳骨的T形心脏声音传感器。当声音撞击传感器时，振动会导致传感器横梁变形，然后将对应的压阻波动转化为电信号。
海龟是地球上最古老的生物之一，具有很多非凡特性，例如它们在水下的听觉方式。海龟并非通过常规动物耳朵的开口聆听声音，而是通过覆盖其听觉系统的皮肤直接探测振动。据麦姆斯咨询介绍，受到海龟通过皮肤探测声音的启发，中北大学的研究人员开发了一种心脏监测系统，初步的人体试验表明，该系统有望成为一种监测心跳的可行方法。
“听”心跳是医生监测心脏健康的重要方法之一，无论是使用听诊器或是更先进的超声心动图等技术。然而，这些方法都需要专科医生问诊，因此研究人员一直热衷于开发人们可以在家里使用且成本更低的替代解决方案，这样还可以更频繁地进行测试和监测。
中北大学的研究人员了解到海龟听觉系统的内部工作原理后，激发了他们的研究兴趣。海龟的听觉系统能够探测低频信号，尤其是300至400赫兹范围内的信号。
中北大学的研究人员解释说：“心音也是低频信号，因此海龟耳朵的低频特性给了我们很大的启发。”
乍一看，乌龟好像没有耳朵。它们的听觉系统位于一层皮肤和脂肪下面，通过这层皮肤和脂肪接收振动。和人类一样，当声音撞击到耳朵里的一块小骨头时会激发振动，这些脉冲信号就会转换成电信号，再发送到大脑进行处理和解读。
但海龟有一个独特的细长T形导管，包裹着它们的耳骨，使其类T形耳骨只能以垂直的方式振动。这种结构使它们的听觉系统对振动具有高度敏感性。
受此启发，中北大学的研究人员构建了一个具有类似功能的心脏监测系统。他们利用微小的MEMS悬臂梁传感器制作了一个模仿海龟耳骨的T形心脏声音传感器。当声音撞击传感器时，振动会导致传感器横梁变形，然后将对应的压阻波动转化为电信号。
此外，研究人员还根据扩音器原理设计了一种新型声学封装。通过模拟分析、微纳制造技术和计算机数控（CNC）加工，实现了传感结构的制造和集成。实验结果表明，这种MEMS仿生传感结构的声学灵敏度在20~200 Hz范围内最高可达-21.926 V/Pa（re: 1 V/Pa），能够检测周期性的心音信号。此外，与其它的MEMS加速度计相比，所提出的生物仿生传感器的振动灵敏度显著提高，达到5.3 V/g，与海龟耳骨的生物仿生机制一致。
研究人员随后在两名20岁出头的人类志愿者身上测试了传感器的心跳监测能力。这项研究成果已发表于IEEE Sensors Journal期刊。
研究人员介绍称：“该传感器具有出色的振动特性，与市场上的其它MEMS加速度计相比，该传感器具有更高的振动灵敏度。”
不过，目前这种传感器还会接收到大量背景噪声，研究人员计划在今后的研究工作中解决这个问题。最终，他们有意将这种新颖的生物灵感传感器集成到便携式手持设备、可穿戴设备以及医院使用的相对更大的设备，以便同时检测心电图和心音信号。
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