SHIC呼吸監(jiān)測器件的工作原理與性能優(yōu)勢

近日，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊(duì)利用柔性混合集成技術(shù)開發(fā)了一款用于連續(xù)呼吸監(jiān)測的類皮膚集成器件（SHIC呼吸監(jiān)測器件）。柔性類皮膚器件具有輕、薄、柔等特點(diǎn)，可模擬人體皮膚對外界刺激的反應(yīng)，舒適地貼附于人體表面監(jiān)測不同生理參數(shù)，與傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備相比更具靈活性和便攜性，在生命健康監(jiān)測領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果在國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)電子材料》（Advanced Electronic Materials）上發(fā)表，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院陳穎博士為該研究成果的第一作者，清華大學(xué)馮雪教授為該研究成果的通訊作者。該項(xiàng)研究得到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）、國家自然科學(xué)基金等的資助。

呼吸監(jiān)測的重要性

呼吸作為人類最基本的生命體征，與人體的心理和生理狀態(tài)有著緊密的映射關(guān)系。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，呼吸系統(tǒng)疾病已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中的健康殺手，例如睡眠呼吸暫停癥（Sleep Apnea），患者會(huì)出現(xiàn)呼吸暫停、呼吸變淺、呼吸不規(guī)律等呼吸失調(diào)癥狀，且患病率正呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。該疾病不僅會(huì)加劇日間疲勞，甚至?xí)T發(fā)一系列并發(fā)癥，如高血壓、心臟病、中風(fēng)、2型糖尿病、肝臟問題等，除此之外，伴侶的睡眠質(zhì)量也會(huì)一定程度上受到影響。研究表明，合理地調(diào)整呼吸節(jié)奏對人體的身心健康至關(guān)重要，呼吸訓(xùn)練可以在一定程度上緩解壓力、焦慮、慢阻肺和創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)等健康問題。因此，呼吸監(jiān)測在日常生活、康復(fù)訓(xùn)練、臨床治療等領(lǐng)域都具有重要意義。

SHIC呼吸監(jiān)測器件的工作原理與性能優(yōu)勢

SHIC呼吸監(jiān)測器件集成了類皮膚的柔性混合電路、可延展柔性傳感單元以及信號(hào)處理單元 (如圖1a所示)，與人體表面完美共形，可持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行呼吸監(jiān)測。根據(jù)美國睡眠醫(yī)學(xué)會(huì)的呼吸標(biāo)準(zhǔn)(呼出空氣的溫度接近體溫，吸入空氣的溫度接近環(huán)境溫度)，該器件搭載了基于壓縮屈曲構(gòu)型的溫度傳感器，測量吸入和呼出空氣的溫度變化（如圖1b所示），并利用傳熱學(xué)分析的理論模型進(jìn)行信號(hào)處理。相較于其他硬質(zhì)呼吸監(jiān)測設(shè)備，SHIC呼吸監(jiān)測器件（如圖1c所示）具有優(yōu)越的信噪比及力學(xué)順應(yīng)性，可以在面部動(dòng)態(tài)變形環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定地工作。

圖1 SHIC呼吸監(jiān)測器件

a）類皮膚柔性混合電路與可延展柔性傳感單元集成示意圖，b）測量吸入和呼出空氣的溫度變化，c）器件實(shí)物圖

目前已經(jīng)有多導(dǎo)睡眠圖、商用可穿戴設(shè)備（如Spire Stone）、鼻式和身體式設(shè)備作為呼吸監(jiān)測的手段，如表1對比所見，SHIC呼吸監(jiān)測器件解決了現(xiàn)有呼吸監(jiān)測技術(shù)中器件剛性、有線導(dǎo)聯(lián)、傳感單元與信號(hào)處理單元分離帶來的不舒適感、精度差、不可長期監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸與處理滯后等問題。

SHIC呼吸監(jiān)測器件的應(yīng)用價(jià)值

人們可以在休息、鍛煉、就餐和睡覺等各種日?；顒?dòng)中佩戴SHIC呼吸監(jiān)測器件（如圖2所示），進(jìn)行實(shí)時(shí)無線呼吸信號(hào)監(jiān)測。在慢跑過程中，呼吸信號(hào)可反應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且得益于器件中“可呼吸”的半透膜，信號(hào)不會(huì)受到汗液的影響（如圖2a）。該器件也可辨別口呼吸和鼻呼吸（如圖2b），這對呼吸矯正有一定的指導(dǎo)意義。如圖2c，d所示，該器件成功捕捉到了睡眠時(shí)的呼吸暫停情況?？偠灾琒HIC呼吸監(jiān)測器件在運(yùn)動(dòng)和睡眠醫(yī)學(xué)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，通過呼吸監(jiān)測可以了解運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、呼吸方式、呼吸系統(tǒng)疾病等，并且該研究提出的系統(tǒng)級(jí)柔性混合集成電路為人體其他生理信號(hào)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了重要基礎(chǔ)，為人體健康監(jiān)測器件的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用提供了新的研究思路。

圖2 多場景下的呼吸監(jiān)測應(yīng)用

a) 慢跑時(shí)的呼吸信號(hào)， b）口呼吸和鼻呼吸的信號(hào)對比，c）睡眠時(shí)的呼吸信號(hào)，并捕捉到了d）呼吸暫停