用于持續呼吸監測和呼吸康復的3D打印磁性空氣壓力傳感器

3D-printed magnetic-based air pressure sensor for continuous respiration monitoring and breathing rehabilitation

Nora Asyikin Zulkifli, Wooseong Jeong, Mijin Kim, Cheolgi Kim, Young Hwii Ko, Dong Choon Hyun*, Sungwon Lee*

通訊單位：大邱慶北科學技術大學；慶北國立大學

全文鏈接：

https://www.oaepublish.com/articles/ss.2024.11

便攜式檢測技術的快速發展使得許多患有慢性呼吸系統疾病的患者能夠及時進行診斷、監測和治療。目前，最大的挑戰在于進一步優化測試設備，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疾病患者可能存在呼吸困難的情況，我們開發了一種呼吸傳感器，專注于低氣壓范圍內的敏感度。與簡單的氣流數據不同，該傳感器利用基于磁性的壓力傳感器輸出呼吸氣壓。這種非傳統但高度可靠的方法，結合傳感器簡單的3D打印設計，提供了廣泛的可調性和功能性。憑借其出色的敏感性、顯著的吸氣和呼氣區分能力，以及完全可重現和便捷的設計，我們相信這種呼吸傳感器將為開發生物醫學領域內的多模態和多功能呼吸傳感器鋪平道路。

當今世界上一些最嚴重和普遍的疾病之一與肺部有關。這些疾病通常被定義為慢性呼吸系統疾病（CRDs），包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）、哮喘、職業性肺病和肺動脈高壓。通常，這些疾病的診斷需要專用工具，如肺功能儀，它們可以根據氣量和流速來分析量化肺部功能。然而，除了診斷目的外，治療這些疾病的生物醫學設備的另一個重要功能是在患者日常生活中持續監測其健康狀況，其中通常使用簡單但堅固的設備，如氣流傳感器或呼吸傳感器。由于呼吸病毒的迅速出現，包括最近的COVID-19大流行，這些監測設備現在需求日益增加。

圖1?呼吸傳感器的設計及工作機制

圖2?PHMR傳感器工作機制及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、應用與功能化

本項工作開發了一種使用穩健的磁性PHMR傳感器作為主要感應機制的3D打印呼吸傳感器，能夠檢測和區分吸氣和呼氣的氣壓變化。當呼吸氣流進入時，由于PDMS薄膜內嵌磁鐵的運動引起磁場變化，進而激發PHMR傳感器輸出電壓的變化。多位志愿者進行了多次呼吸示范，展示了傳感器測量的多樣化呼吸模式。除了正常呼吸外，還展示了運動和冥想狀態下的呼吸示范。為了適應深呼吸的更高壓力范圍，通過改變PDMS膜的厚度對傳感器進行了修改。可以進一步修改以擴展傳感器的功能。為了驗證這一點，引入了IMT設備，通過在傳感器主體上添加幾個額外的組件。這種呼吸傳感器設計具有高度的適應性和可修改性，允許廣泛的功能和設計應用。

這項工作得到了韓國國家研究基金會（ 2018R1A5A1025511、2021R1A2C1007129）和韓國教育部資助的 BK21 FOUR（培育杰出研究大學）項目支持。