柔性可穿戴机械声学传感器，用于实时无线监测脉搏波和心率
2024-06-29 15:05:04   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

测量心率和脉搏波等低频生理信号在生物医学应用中起着至关重要的作用，可用于早期诊断心血管异常活动。柔性机械电子学的最新进展代表了一种用于在运动情境中测量心率的微型可穿戴传感器的新概念。然而，大多数机械传感器要求传感元件直接放置在皮肤表面上，这可能导致因皮肤明显变形或皮肤物体相互作用的外力而引起的性能下降或设备损坏。

据麦姆斯咨询报道，近日，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的科研团队通过开发柔性、可拉伸的机械声学传感平台来应对上述挑战，该传感平台中所有传感组件均不会直接受到皮肤运动或变形的影响。相反，这种设计使得心血管脉搏波通过空心柔性微通道传播，从而振动压阻传感元件。实验研究表明，这套完整的无线传感系统能够探测脉搏波和心率，其结果与市售设备一致。这项研究所提出的机械声学传感概念还支持开发其它无线柔性传感系统，例如用于检测用户喉部运动的吞咽模式的柔性空气通道垫，从而为潜在的监测和吞咽困难评估提供一个无创和远程平台。相关研究成果以“Flexible, Wearable Mechano-Acoustic Sensors for Real-Time, Wireless Monitoring of Low Frequency Body Sounds”为题发表在Advanced Sensor Research期刊上，通讯作者为Thanh Nho Do和Hoang-Phuong Phan。

图1展示了该研究用于心率测量应用的传感器的基本设计，由三个主要部件组成：（1）位于指甲上的压阻式硅悬臂梁，用于探测声波；（2）由Ecoflex制成的柔性可拉伸微通道，用于声波传播；（3）位于手腕上的集成蓝牙模块的放大电路，用于信号处理和记录。因此，测量硅悬臂梁的动态电阻变化有助于量化用户的脉搏波和心率。

图1 用于实时无线监测脉搏波的可穿戴柔性机械声学传感装置概述

图2展示了可穿戴脉搏波传感器的制造工艺示意图。采用绝缘体上硅（SOI）晶圆制备硅悬臂梁，尺寸为300 nm × 100 μm × 100 μm。由于该传感器的刚性组件位于身体的刚性部分（指甲），而柔性组件（Ecoflex胶套）与高度可变形的组织相接触，因此该设计显著改善了装置与人体皮肤之间的保形接触。

图2 机械声学传感器及硅胶套的制造工艺

随后，研究人员对该声学传感器进行了表征，相关结果如图3所示。图3A和图3B展示了所制备硅声学传感器的照片。研究中使用高精度压力校准器（KAL200 Halstrup）来对压阻传感器进行校准（如图3C）。

图3 声学传感器（心率测量装置的主要传感组件）的表征

接着，研究人员使用带无线模块的完全集成柔性传感器对健康受试者进行心率测量（如图4A）。机械声学传感器能够清晰地探测到脉搏波信号的关键特征，如收缩峰值、舒张峰值以及切迹等，并将结果显示在智能手机APP上（如图4B）。从健康受试者记录的这些峰值的模式和时间间隔与典型的脉搏波形一致。

图4 心率测量装置的性能

采用与上述心率测量装置类似的设计，研究人员进一步展示了一种基于机械声学传感器的无创柔性吞咽模式检测装置。如图5所示，该装置没有使用如心率测量装置那样的柔性硅胶套，而是使用柔性硅胶垫（Ecoflex-30）合围了1 mm的空气通道，从而形成压力室，并使用Aerofilm（一种医用级防水且可生物降解的粘合剂，如图5A）将其附着在用户的环状软骨上。硅胶垫通过硅胶管（如图5B）和3D打印的外壳（如图5C）连接到机械声学传感器上。相关测试结果如图5E和5F所示。

图5 基于柔性机械声学传感器的无线柔性吞咽模式检测装置

综上所述，这项研究利用位于指甲上的压阻式硅悬臂梁和缠绕指尖的Ecoflex通道，开发了一种高灵敏度机械声学传感器。这种设计增强了装置的耐用性，由于没有传感元件与皮肤直接接触，从而减少了机械应力和变形。柔性Ecoflex胶套（不含传感元件）与皮肤接触既舒适又牢固。将传感装置与无线模块和智能手机APP连接，就能测量脉搏波形和心率（HR）。对健康受试者的实验研究结果与市售设备一致，证明了该低成本、轻量级、可穿戴系统在个性化心血管监测方面的能力。此外，基于类似的柔性机械声学传感器和柔性Ecoflex硅胶垫，这项研究还扩展开发了一种无线柔性装置，用于从用户的喉部运动检测吞咽模式，从而为潜在的监测和吞咽困难评估提供一个无创和远程平台。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adsr.202400039

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