眾所周知，許多呼吸系統(tǒng)疾病都伴隨著不同程度的咳嗽。百日咳、慢性阻塞性肺病的診斷對社會公共資源提出嚴重考驗。尤其自新冠肺炎疫情以來，咳嗽作為新冠肺炎患者主要的病癥之一，對患者日常活動中咳嗽癥狀進行監(jiān)測和分析具有重要意義。開發(fā)用于呼吸類疾病診斷的咳嗽監(jiān)測傳感器勢在必行。在過去的數(shù)十年里，柔性傳感技術(shù)在個性化醫(yī)療、智能可穿戴設(shè)備、智能假肢、人機交互界面和虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等應(yīng)用具備潛力而得到迅猛發(fā)展。然而，柔性傳感器在實際使用中容易受到運動偽影、長時間佩戴導(dǎo)致的汗液聚集、日常說話和吞咽等外部干擾影響，無法滿足咳嗽監(jiān)測在臨床診斷上的評估要求。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決上述問題，天津大學(xué)張孟倫助理教授、龐慰教授團隊開發(fā)了一種對語音和運動偽影不敏感的透汗電子皮膚，可以在實際應(yīng)用中實現(xiàn)可靠的咳嗽監(jiān)測，助力呼吸類疾病診斷。該電子皮膚基于壓電薄膜材料、多尺度陣元結(jié)構(gòu)設(shè)計和cut-and-paste加工技術(shù)，輕薄無感貼附在胸部，同時實現(xiàn)高精度、實時、高可靠的咳嗽信號提取。該研究以“Chest-Laminated and Sweat-Permeable E-skin for Speech and Motion Artefact-Insensitive Cough Detection”為題，發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊。
圖1所示為電子皮膚工作原理和咳嗽監(jiān)測的實現(xiàn)方案框圖。咳嗽是由發(fā)聲器官產(chǎn)生的微運動，通過電子皮膚檢測這些微弱的運動，可以捕獲咳嗽信號。咳嗽期間人體胸部像氣球一樣高速“膨脹”和“收縮”，橫膈膜和肋間肌的松弛和緊縮，局部應(yīng)變從胸部轉(zhuǎn)移到電子皮膚，電子皮膚產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸和收縮應(yīng)變，由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，電壓信號經(jīng)過放大和濾波后輸出以表征咳嗽。該電子皮膚通過貼附在人體胸部而非喉部，大幅降低了日常說話和吞咽導(dǎo)致的信號干擾。
圖1 用于咳嗽監(jiān)測的電子皮膚方案
該電子皮膚的設(shè)計如圖2所示。人體的汗孔即使在劇烈運動或炎熱環(huán)境中也具有完全排汗的能力，受此啟發(fā)該工作在電子皮膚上設(shè)計了可以完全滲透汗液的圓形通孔。然而，僅利用圓形通孔無法實現(xiàn)電子皮膚與具有不規(guī)則皮膚的保形接觸。因此，通過進一步使用圓形通孔和Kirigami設(shè)計相結(jié)合的策略形成啞鈴形構(gòu)型，在保障壓電性能的前提下大幅提高了電子皮膚的機械順應(yīng)性和機械耐久性。所提出的設(shè)計方案克服了難拉伸壓電薄膜和不透汗電子皮膚的固有局限性，可以在保持皮膚正常生理活動的同時舒適地長時間監(jiān)測咳嗽。電子皮膚的總尺寸為50mm × 30mm，而孔隙結(jié)構(gòu)和啞鈴剪紙結(jié)構(gòu)大幅降低了電子皮膚的面密度（31.5mg/cm2），使得電子皮膚可以自貼附于胸部且具有很小的層壓感。以上設(shè)計保障了電子皮膚實現(xiàn)高精度、無感貼附、長期可靠的生理活動監(jiān)測。
圖2 電子皮膚的設(shè)計
為了驗證所設(shè)計電子皮膚在正常生活中的實際可行性，研究人員分別在說話、大喊、運動過程進行了咳嗽監(jiān)測，實驗結(jié)果驗證了電子皮膚在胸部進行咳嗽監(jiān)測的功能性和可靠性。為了有效區(qū)分清嗓子信號和咳嗽信號，該工作還演示了基于機器學(xué)習(xí)的算法研究，進一步提高了該電子皮膚實現(xiàn)咳嗽監(jiān)測的實用性。此外，實驗結(jié)果表明長時間佩戴該電子皮膚而不會造成過敏等應(yīng)激反應(yīng)，并能承受日常活動中的劇烈運動而保持完整的功能性。
圖3 電子皮膚實測結(jié)果
綜上所述，該研究提出了一種新型透汗電子皮膚，能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定的咳嗽監(jiān)測，對語音、運動偽影、汗液聚集等外部干擾不敏感，從而大幅提高其實用性。該研究所提出的實現(xiàn)方案、設(shè)計思路和制造方法將進一步推動電子皮膚在個性化醫(yī)療、智能健康監(jiān)測、人機交互界面、VR/AR以及軟體機器人等應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/admt.202201043
《電子皮膚貼片技術(shù)及市場-2022版》
《可穿戴傳感器技術(shù)及市場-2022版》
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場-2021版》
