还在玩“锁骨放鸡蛋”？两位美国科学院院士教你胸窝放柔性电子器件！

小奇

2019-12-17

前言：还记得之前流行的“锁骨放鸡蛋”挑战吗？锁骨窝的大小直接影响到挑战的成败。就在两侧锁骨与胸骨的相交处（即下巴平贴胸壁所对应位置），还存在一个“窝”——胸骨上窝（suprasternal notch，以下简称胸窝/SN），呼吸时可见其凹陷程度的变化。胸窝是胸廓与颈部之间相关结构的重要交汇处，例如血管、器官、食管以及神经。因此，胸窝蕴含了丰富而重要的人体生理信息。本文中，相关研究人员基于贴于胸窝的柔性电子纹身，实现了对这些生理信息的高效、高质量检测，并对其进行了分解与解析。

人体的生理与运动过程产生了丰富的机械-声学（MA）信号，然而许多信号在皮肤-空气界面处衰减严重。从微小振动到全身运动的动作由不同的振幅、频率组成，因此包含了各种各样的重要生理健康信息。例如，声襞振动~100 Hz，心脏搏动~10 Hz，步态与移动~1 Hz，呼吸~0.1 Hz，身体朝向~0Hz。数字听诊器和惯性测量原件是目前临床使用的工具，能定量捕捉这些频率的信号，以及其他机械-声学（MA）信号。对于数字听诊器而言，其获得的信号频率通常在20~1900 Hz，且只能间隔抽取信号。

传统的惯性测量原件虽能连续获得信号，但由于惯性质量大、与人体耦合性较小，只在0-100 Hz的低频范围最为有效。这些类型的传感器不能同时捕捉机械-声学（MA）信号中涉及的力学、声学信息。在此情况下，基于微机电系统的小型化、皮肤可穿戴的加速计和/或陀螺仪则发挥了重要的作用，相关例子包括捕捉心肌力学信号（如心震图、心冲击信号），呼吸频率与声音，吞咽声音，嗓音，身体位置与运动状态的变化，等等。这些测量很多与医学应用直接相关，特别是监测多种生理信号的装置。

为了实现上述目的，传统的可穿戴器件以绳带、胶布、胶带的形式与人体耦合，相应地，胸部、腕部则作为测量界面。理论上，人体其他部位也可作为测量界面，但由于相关装置的坚硬性、平面性，存在大量的实际限制。例如，系于脖子的麦克风能捕捉语音以及喉音的声学信号，可用于饮食习惯以及呼吸生理学的探测；紧贴脖子皮肤的加速计能记录一系列身体过程，以监测睡眠模式。问题在于，这类系统在日常活动中并不能与皮肤形成持续、舒适的界面接触。相比之下，轻柔、具有皮肤相容性的无线装置则能穿戴（贴合）于人体的非常规部位，因此可以持续地、大频率范围地监测身体过程的力学和声学特征。潜在的应用包括监测人体一整天的健康状态和社交互动，量化睡眠行为，测量运动成绩，以及指导康复程序。

柔性电子学的最新进展为嵌入微机电式加速计的皮肤兼容性轻型化设备打下了基础。近日，美国西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士、ZhaoqianXie，以及卡莱神经科学研究所Charles R. Davies等团队合作，设计了一种包含多种功能元件的装置，这些功能元件由弹性体密封支撑、曲形导电线路相互连接而成。这种设计通过将传感元件与支撑的电子学系统分离，使得测量灵敏度最大化。结果显示，“表皮”MA传感器对身体的移动、转动过程高度响应：能捕捉从0 Hz到人耳可听频带频率的高质量信号，受环境噪音干扰很小。

图1. 贴附于胸窝的无线MA传感器。

该工作的突破主要在于以下几点：

（1）设计了采用小型化可充电池供电，利于构建舒适皮肤界面、高精度高频带宽度MA传感器的无线系统；

（2）将胸窝（SN）作为贴附界面，涉及的生理过程和人体运动过程更多，使得MA信息来源更加丰富；

（3）数据分析技术的发展，在所得多模式混合信号基础上分解、量化生理过程；

（4）在对日常活动与体育运动进行连续、半连续检测时，同时实现了设备的非常规力学性能，独特的穿戴部位，以及先进分析方法；

（5）睡眠实验室相关结果得到了临床验证。

图2. 贴附于健康受试者胸窝时，在三个正交轴方向上加速计所测得的代表性MA数据。

图3. 信号处理流程图和对应的MA数据结果。

图4. 胸窝（SN）处记录的MA数据与传统传感器测量值的比较。

 图5. 胸窝（SN）处MA传感用于临床睡眠研究。

 图6. 胸窝（SN）处MA传感用于理解睡眠模式。

最后，作者对该工作提出了一些展望：

1. 连续监测还存在的挑战包括涉及心脏信号和呼吸速率检测的运动伪影。

2. 半连续监测存在的挑战涉及伪影消失时的“机会传感”。

3. 采用多模式MA检测能更好实现对心肌力学的信号分解以及精确测量。

4. 在复杂动态环境中采用改进的参比测量方法可能使数据分析方法得到发展。

5. 未来的应用重点包括：睡眠监测，术后恢复跟踪，社交监测，语音监测，理疗评估。

参考文献：

Lee, K., Ni, X., Lee, J.Y. et al. Mechano-acousticsensing of physiological processes and body motions via a soft wireless deviceplaced at the suprasternal notch. Nat Biomed Eng (2019)doi:10.1038/s41551-019-0480-6

https://www.nature.com/articles/s41551-019-0480-6