3D打印磁性空氣壓力傳感器：實(shí)現(xiàn)持續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)與康復(fù)

導(dǎo)讀

便攜式檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展使得許多患有慢性呼吸系統(tǒng)疾病的患者能夠及時(shí)進(jìn)行診斷、監(jiān)測(cè)和治療。目前，最大的挑戰(zhàn)在于進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)試設(shè)備，以提升功能多樣性、效率和性能，并且更好地滿足患者的特定需求。考慮到慢性呼吸系統(tǒng)疾病患者可能存在呼吸困難的情況，我們開(kāi)發(fā)了一種呼吸傳感器，專注于低氣壓范圍內(nèi)的敏感度。與簡(jiǎn)單的氣流數(shù)據(jù)不同，該傳感器利用基于磁性的壓力傳感器輸出呼吸氣壓。這種非傳統(tǒng)但高度可靠的方法，結(jié)合傳感器簡(jiǎn)單的3D打印設(shè)計(jì)，提供了廣泛的可調(diào)性和功能性。憑借其出色的敏感性、顯著的吸氣和呼氣區(qū)分能力，以及完全可重現(xiàn)和便捷的設(shè)計(jì)，我們相信這種呼吸傳感器將為開(kāi)發(fā)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的多模態(tài)和多功能呼吸傳感器鋪平道路。

文章簡(jiǎn)介

當(dāng)今世界上一些最嚴(yán)重和普遍的疾病之一與肺部有關(guān)。這些疾病通常被定義為慢性呼吸系統(tǒng)疾?。–RDs），包括慢性阻塞性肺疾?。–OPD）、哮喘、職業(yè)性肺病和肺動(dòng)脈高壓。通常，這些疾病的診斷需要專用工具，如肺功能儀，它們可以根據(jù)氣量和流速來(lái)分析量化肺部功能。然而，除了診斷目的外，治療這些疾病的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的另一個(gè)重要功能是在患者日常生活中持續(xù)監(jiān)測(cè)其健康狀況，其中通常使用簡(jiǎn)單但堅(jiān)固的設(shè)備，如氣流傳感器或呼吸傳感器。由于呼吸病毒的迅速出現(xiàn)，包括最近的COVID-19大流行，這些監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)在需求日益增加。

圖1呼吸傳感器的設(shè)計(jì)及工作機(jī)制

圖2PHMR傳感器工作機(jī)制及PHE表征

圖3完全組裝的呼吸傳感器的特性

圖4呼吸傳感器的演示、應(yīng)用與功能化

展望

本項(xiàng)工作開(kāi)發(fā)了一種使用穩(wěn)健的磁性PHMR傳感器作為主要感應(yīng)機(jī)制的3D打印呼吸傳感器，能夠檢測(cè)和區(qū)分吸氣和呼氣的氣壓變化。當(dāng)呼吸氣流進(jìn)入時(shí)，由于PDMS薄膜內(nèi)嵌磁鐵的運(yùn)動(dòng)引起磁場(chǎng)變化，進(jìn)而激發(fā)PHMR傳感器輸出電壓的變化。多位志愿者進(jìn)行了多次呼吸示范，展示了傳感器測(cè)量的多樣化呼吸模式。除了正常呼吸外，還展示了運(yùn)動(dòng)和冥想狀態(tài)下的呼吸示范。為了適應(yīng)深呼吸的更高壓力范圍，通過(guò)改變PDMS膜的厚度對(duì)傳感器進(jìn)行了修改?？梢赃M(jìn)一步修改以擴(kuò)展傳感器的功能。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，引入了IMT設(shè)備，通過(guò)在傳感器主體上添加幾個(gè)額外的組件。這種呼吸傳感器設(shè)計(jì)具有高度的適應(yīng)性和可修改性，允許廣泛的功能和設(shè)計(jì)應(yīng)用。