• <pre id="1e866"><s id="1e866"></s></pre>
      1. <td id="1e866"><ruby id="1e866"></ruby></td><td id="1e866"></td>
          <tr id="1e866"><label id="1e866"></label></tr>
        1. <pre id="1e866"><strong id="1e866"></strong></pre>

          <p id="1e866"></p>
          學術服務內容

          在線編輯 學術顧問

          咨詢率高的期刊

          醫學論文

          用于人體健康監測的可穿戴傳感器件研究進展

          時間:2022年03月04日 所屬分類:醫學論文 點擊次數:

          摘要可穿戴電子產品因其體積

            摘要可穿戴電子產品因其體積小、佩戴舒適、檢測方便等優點,在測量人體生命體征和生理信息研究中受到越來越多的關注,在疾病診斷、康復治療和日常健康評估領域具有廣闊的應用前景?纱┐鱾鞲衅髯鳛榭纱┐麟娮赢a品中采集信息的關鍵模塊,受到了廣泛關注,獲得了快速發展。本文主要聚焦可穿戴傳感器在健康監測領域的應用,圍繞關鍵的生理和生化指標檢測,系統地闡述了相應可穿戴傳感器的研究現狀與前沿熱點,分析了各類傳感器的優勢與不足,并對可穿戴傳感器未來的發展趨勢進行了探討。

            關鍵詞可穿戴傳感器;健康監測;多功能傳感器;柔性電子;評述

          人體健康論文

            可穿戴設備是指可以佩戴在人體不同部位連續、實時獲取物理、化學、生物量信息,從而為健康監測和醫療診斷等應用提供服務的設備。隨著世界多國老齡化加劇,慢性病以及突發疾病引起的死亡或殘疾問題日益突出,健康監護用可穿戴設備受到了廣泛關注[12]。

            健康方向論文: 個體健康研究中的因果推斷方法、應用與展望

            可穿戴設備主要由傳感器、電源模塊、數據采集與信號傳輸模塊等組成,其中傳感器件作為可穿戴設備的主要功能部件成為當前的研究熱點。已有一些綜述文章報道了柔性可穿戴傳感器用于人體健康監測的研究進展[3],但大多集中在單一指標檢測或單一傳感器的應用探索。本文針對動作、呼吸、脈搏、血壓、心率、心電、汗液、唾液等關鍵的生理和生化指標,介紹了用于檢測這些指標的主要可穿戴傳感器類型,分析了各類傳感器的優勢與不足,綜述了其研究進展,并對可穿戴健康監測傳感器所面臨的挑戰和未來的研究方向進行了總結與展望。

            1單一指標監測

            1.1人體生理信號監測

            1.1.1身體動作監測

            肢體動作與微表情監測對于健康評估、智慧教學、人機交互等領域具有重要意義[4]。由于四肢彎曲和足部行走通常伴隨較大的應變和壓力變化,現有傳感技術難以實現對這些變化的直接測量。柔性壓力應變傳感器具有感應范圍寬、靈敏度高、輕便柔軟、易集成的特點,在穿戴式動作監測領域極具優勢[56]。根據測試原理的不同,柔性壓力應變傳感器主要分為電阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。其中,電阻式壓力應變傳感器的工作原理為器件在應力作用下發生變形,導電介質的分布狀態發生變化,導致導電通路發生變化,從而引起電阻有規律地變化。

            新穎的柔性導電材料(如MXene、碳納米管(CNTs)、石墨烯和銀納米線等[78])以及獨特的微納結構設計(如金字塔[9]、微柱和互鎖結構等[10])使得電阻式壓力應變傳感器的靈敏度和感應范圍不斷提升。Wang等[11]報道了一種基于三維自交聯碳納米棒陣列(CNA)的柔性醫療傳感器),與二維碳納米管網絡和固體薄膜相比,這種自交聯幾何結構在應變下具有較高的抗裂紋和斷裂能力。

            該傳感器在檢測彎曲和低頻振動(<6Hz)方面具有高靈敏度和良好的穩定性(~10000次循環,可用于屈曲檢測。通過跟蹤監測與健康相關的靜止震顫可對帕金森疾病進行預診斷。Yang等[12]通過模仿玫瑰花瓣的微觀結構,開發了一種具有高靈敏度和寬壓力檢測范圍的柔性壓阻式壓力傳感器。該傳感器由分層聚苯胺聚偏氟乙烯納米纖維(HPPNF)薄膜夾在兩個微穹頂結構的聯鎖電極之間,由于聯鎖層次化結構擴大了三維變形率,所設計的傳感器的靈敏度高(53kPa−,響應時間短(38ms),再現性良好(>50000次循環。

            這種貼合皮膚的傳感器成功地展示了對人體運動狀態的監測,如喉嚨活動、脊柱姿勢和步態識別。雖然導電網絡具有很高的靈敏度,但在壓力應變下其微結構變化具有不可控性,因此,電阻式應變傳感器的響應重復性仍有待提升。此外,電阻式壓力應變傳感器難以實現對高頻壓力應變信號的響應,因而在高速運動監測方面存在困難。壓電式傳感器可以很好地滿足高頻信號的檢測需求,但壓電材料多為無機非金屬材料[13],如何在不降低其性能的前提下實現柔性化仍是一個挑戰。摩擦電式壓力應變傳感器具有自供電的潛在能力,因而受到廣泛關注,在動作監測中得到了應用驗證[1415]。但是,摩擦電效應易受環境影響,器件的穩定性和響應重復性等問題仍亟待解決。

            1.1.2呼吸監測

            呼吸是重要的生命體征,呼吸監測主要包括對呼吸頻率和呼吸深度的監測,為健康評估、呼吸系統疾病診斷和治療如哮喘、慢性支氣管炎和肺氣腫提供重要信息[16]。目前,最有效的呼吸信號檢測方法包括呼出氣直接測量和胸腔應變間接測量兩種方式;趬弘姾湍Σ岭姽ぷ鳈C制的自供電壓力傳感器可直接感知呼吸氣流的強度變化,進而產生相應的電壓信號,但通常需要集成到口罩或面罩中使用,便攜性略差,并且易受氣流濕度干擾[17]。

            將氣濕敏傳感器安置在口罩或面罩中也可用于檢測呼吸頻率和深度,但這類傳感器響應速度較慢[18]。當人體呼吸時,胸腔和腹部會隨著呼吸發生周期性的形變,從而間接反映出人體呼吸的狀況。因此,可通過將壓力應變傳感器貼于胸腔和腹部或集成到衣物中,間接獲取呼吸信號。Fan等[19]提出了一種由導電紗線和尼龍紗線組成的摩擦電全紡織傳感器陣列。TATSA具有高的靈敏度(7.84mV/Pa)、短的響應時間(20ms)和良好的穩定性(>100000次循環,可直接集成到衣服的不同位置,同時監視動脈搏和呼吸信號。

            然而,此類基于紡織物的傳感器也有自身的缺陷:首先,在舒適和靈敏度之間存在內在的矛盾,為了獲得高質量的信號,衣服的相關位置需要緊繃,因而不適宜長時間穿著;其次,信號結果易受身體運動干擾,只有在靜態測量時才能獲得較高質量的信號。相比之下,類似于粘合繃帶的貼片式傳感器比紡織品傳感器更小巧輕便,更適用于動態監測。Chu等[20]將褶皺結構金屬薄膜應變傳感器放置在腹部和胸腔上測量呼吸速率和深度褶皺結構有助于控制裂紋擴展,使傳感器在保持靈敏度的同時具有更大的動態范圍。

            該呼吸傳感器尺寸比創可貼小,并采用三軸加速度計測量用戶的運動,并可刪除運動偽影,實驗結果初步證明,在行走和跑步條件下,該傳感器仍可正常記錄呼吸信號。綜上,提升呼吸傳感器在不同環境下的穩定性和可靠性,探索日常呼吸信號與特定呼吸系統疾病之間的關聯性,有效地處理呼吸信息,包括數據的測量、傳輸、存儲和分析,是目前呼吸傳感應用需要解決的實際問題。

            1.1.3脈搏/血壓監測

            心率(HR)或脈搏是心臟周期的頻率,脈搏波的細節會因年齡、身體狀態甚至精神狀態的不同而不同,中醫將診脈結果作為疾病判斷的重要標準之一。

            脈沖信號來自動脈的壓力回流,通常具有個可清楚區分的波峰,通過適當的信號處理和模式識別方法可以揭示心臟和血管的狀況。光電容積描記法(PPG)是一種基于光學原理檢測脈搏波的技術,利用發光二極管照亮動脈,并捕捉反射信號。由于特定波長的光吸收或反射的量取決于光路中存在的血液量,當動脈內的血液發生流動,PPG信號對血液體積的變化做出響應,從而反映心臟活動引起的周期性收縮和舒張[21]。

            目前,大部分市售智能手表和健康手環都是采用PPG技術監測心率和血氧飽和度的變化。但是,該技術在佩戴者進行高強度運動或者有環境光噪聲干擾的情況下,會影響心率監測的準確性。另一方面,許多PPG傳感器體積較大、材質堅硬,不適合長期佩帶,并被限制在身體特定部位使用,通常是手指或耳垂處。因此,有效解決PPG技術傳感器的運動偽影以及長期穿戴舒適性將是今后的主要研究方向。

            利用力電法進行心跳或脈沖波的采集以及心臟狀況的監測已成為當前的研究熱點,該方法可以對橈動脈、頸動脈及指尖上的壓力進行長時間監測,得到相關參數。Yang等[22]開發了一種基于編織織物結構的石墨烯應變傳感器,檢測了不同年齡人群和運動前后的脈搏搏動變化情況。由于石墨烯具有獨特的交叉形態和裂紋擴展模式,該應變傳感器顯示出極高的應變系數(Gaugeactor,GF),分別為500(02%)、10(2%~6%)和10(>8%)。但是,傳感器與皮膚界面的接觸不穩定會導致所測信號信噪比較低、線性度差,難以進行定量分析。

            通過改進可穿戴壓力傳感器的介電層材料和柔性電極的表面微結構,可以改善非線性,提高靈敏度。Bao研究組[23]開發了一種采用錐形PDMS介質層和微毛結構界面的壓力傳感器,微毛結構改善了傳感器與不規則表皮表面的接觸,顯著提高了信噪比,并實現了對深頸內靜脈脈搏(JVP)的成功監測。JVP是檢測心律失;蛐陌膊〉闹匾獏礫24]。除微毛結構外,研究者還發展了多種微結構。Zhou等[25]采用模板法設計了基于網格結構的有機金屬框架MOF混合陣列,并制作了柔性壓力傳感器。

            MOF混合陣列的層次結構模擬了人體皮膚的微納米級結構,實現聯鎖接觸,可顯著提高柔性對電極膜的機械變形能力,使得壓力傳感器響應速度快(<1ms),靈敏度高可達到307kPa−,可用于監測手指運動和人體脈搏。血壓(BP)是反映人體血管狀況特別是血液對血管壓力的一項重要生理參數,通常采用收縮壓和舒張壓表征。目前廣泛使用的袖帶血壓計便攜性差,成本高,不利于對心血管疾病指標進行連續、分布式監測。因此,開發可穿戴、低功耗、無創、長期的血壓監測傳感器,對心血管疾病的診斷和預防至關重要[26]。由于現有技術手段的限制,可穿戴傳感器件仍無法實現血壓的直接測量,許多研究者致力于開發基于脈搏波傳導時間或者脈搏波系波形進行動態血壓估計的新技術。

            Fang等[27]直接在棉織物上噴涂碳納米管CNTs)溶液與FEP無紡布,組成可在出汗狀態下使用的摩擦電傳感器件,棉織物固有的層次化結構提高了傳感器對微弱脈沖的靈敏度,信噪比(SNR)為23.3dB,響應時間40ms,靈敏度高達0.21A/kPa。在機器學習算法的幫助下,該壓力傳感器可連續精確地測量收縮壓和舒張壓,其準確性與商用血壓袖帶相當。但是,這種方法需要一定的算法或數學模型支撐,并且需要用醫用血壓計進行校準估算,使用起來并不方便。利用超聲成像手段進行生命體征監測是一條新的技術途徑。

            為解決傳統超聲設備體積大、材質剛性、無法與人體表面良好耦合和難以連續監測等不足之處,Feng研究組[28]研發了一種柔性壓電超聲換能器陣列,用于測量勁動脈血壓。該器件厚度僅mm,重0.75,可輕柔貼附于皮膚表面,達到與臨床大型超聲設備相近的測量精度,并可實現長期連續監測,監測過程中無需校準。

            1.1.4電生理信號

            人體的電生理信號與大腦、心臟和神經的健康狀況密切相關。生物電極是捕獲和分析電生理信號的關鍵部件,可以測量細胞受到刺激后與相鄰位置產生的電勢差信號[29]。為獲得高質量、穩定的生物電信號,生物電極應滿足以下條件:(1)盡量減小電極與皮膚之間的界面阻抗,以保證信號振幅足夠大;(2)電極應提供穩定的接觸界面,減少檢測過程中的運動偽影;(3)電極還應具有良好的生物相容性,避免對人體造成損害。Ag/AgCl電極是目前臨床應用最廣泛的無創電極,通常與導電凝膠配合使用,可降低電極與皮膚之間的界面阻抗,提供穩定的生物電信號。然而,傳統的Ag/AgCl電極也存在局限性:如用于減少接觸阻抗的凝膠在長期測量后可能會引起皮膚過敏,并且凝膠易失水,不利于長程監測;此外,電極的剛性性質導致了較高的運動偽影。

            1.2人體代謝物監測

            除上述生理信號外,人體代謝物的生化參數與個體的健康狀況密切相關,可為健康監測和疾病診斷提供更多的參考資料?纱┐魃砩瘋鞲衅魍ǔ2捎没瘜W方法檢測生物物質的組成和含量41。傳感材料與目標檢測物質之間的化學反應改變了傳感器的電學特性,因此,可通過分析傳感器的電學參數獲取生理健康信息。根據檢測樣品的不同,主要可分為汗液檢測、唾液檢測和呼出氣檢測。

            2多功能監測

            將多功能傳感元件集成到一個平臺,這是近年來可穿戴電子技術發展的重要趨勢之一,未來的可穿戴電子設備應以同時對多種生理及生化指標進行實時檢測、提供更全面的人體健康和環境信息為最終目標5859。

            為了解決對多種物理刺激解耦分析的難題,Zhang等60制備了微結構框架支撐的有機熱電(MFSOTE)材料溫度壓力雙功能傳感器,將多信號干擾降至最低,該傳感器利用獨立的熱電和壓阻效應,將溫度和壓力轉換為分離信號,溫度分辨率小于0.1K,高壓傳感靈敏度高達28.9kPa−。類似地,多功能傳感器陣列有望實現不同生理信號的同步和選擇性測量。

            Yamamoto等61提出了一種靈活、多功能的印刷式健康診斷傳感器,配備了一個三軸加速度傳感器和由碳納米管薄膜晶體管控制的紫外光傳感器。這種一次性傳感貼片的設計采用了低成本的制造方法,并且兼具佩戴舒適性,可同時監測皮膚溫度、心率、紫外線照射和身體活動。Hua等62設計了一種具有高度可伸縮性和適應性的矩陣網絡(SCMN),種特定可擴展傳感器單元集成在聚酰亞胺網絡上,以實現溫度、應變、濕度、光、壓力等參數的精確解耦分析。

            然而,隨著更多參數的引入,這種類型的器件通常具有復雜的結構,并且制造過程繁瑣。電子紋身(Etattoo)或電子皮膚(Eskin)是最新開發的可穿戴電子產品,其重量輕,如人的皮膚般柔軟,可緊密地貼合在人體皮膚上,進行無創、高保真檢測6365。

            由于電子皮膚直接接觸皮膚,需要確保其不會危害人體健康。因此,生物相容性材料是此類產品的首選。蠶絲蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白,由于其具有機械耐久性、可調諧的二級結構和良好的生物相容性而成為應用最多的材料之一,研究者采用各種方法提高蠶絲蛋白復合材料的延展性和導電性。

            Wang等66報道了一種基于石墨烯絲素蛋白/Ca2+組合的多功能自愈合電子紋身,通過簡單的絲網印刷過程便可轉移到人體皮膚上。石墨烯薄片形成的導電路徑可響應外界應變、濕度和溫度變化,具有靈敏度高、響應快速和長期穩定等優勢,甚至在完全破裂后,0.3s內即可達到100%的愈合效果。Gogurla等67推出了一種含碳納米管的天然絲蛋白膜組成的多功能、生物兼容、超薄電子紋身系統,電子紋身層壓在皮膚上時,在機械變形下,其電導率非常穩定,可用于精確監測心電圖和肌電圖信號、測量皮膚溫度,并協助藥物的傳遞。

            3總結與展望

            近年來,實時、智能監測需求日益增長,促進了可穿戴傳感設備的快速發展,其中,可穿戴傳感器作為重要的功能模塊受到了廣泛關注。研究者已研制出具有多種功能的柔性可穿戴傳感器,其性能大幅度提升。本文以關鍵的生理指標檢測為主線,系統闡述了相應的柔性可穿戴傳感器的研究現狀,探討了各類傳感器的優勢與不足。

            柔性新材料與先進柔性電子制造技術的發展拓展了傳感器的設計理念,與傳統傳感器相比,新型柔性壓力、應變等傳感器的靈敏度和感應范圍更佳。高靈敏度、低成本、便攜和具有良好的長期穩定性的柔性傳感器件的成功制造,預示著柔性可穿戴電子器件將成為未來個性化醫療領域的主流68。然而,目前可穿戴傳感器的實際應用仍存在一些挑戰:首先,穩定性、響應重復性以及不同器件之間的性能一致性是柔性可穿戴傳感器獲得應用的前提,目前這方面的研究相對較少。

            其次,雖然許多柔性傳感器展現出優異的性能,但制備工藝復雜,難以實現規;苽。發展簡單、便捷的柔性傳感器制備方法,實現批量化制備,是其可用于實際應用的關鍵。第三,多功能集成是柔性可穿戴電子的未來發展趨勢,然而各種信號之間存在串擾問題,實現互不干擾的多功能感知也是柔性可穿戴傳感器的重要發展方向。最后,全天候實時監測勢必導致較高的能耗,因而發展低功耗傳感器以及相應的電源優化管理方法也具有至關重要的意義。

            References

            [1]TRUNGTQ,RAMASUNDARAMS,HWANGBU,LEENE.Adv.Mater.,2016,28(3):502509.

            [2]STOPPAM,CHIOLERIOA.Sensors,2014,14(7):1195711992.

            [3]LIUFeng,HANJingLong,QIJi,ZHANGYu,YUJiaLuo,LIWenPeng,LINDong,CHENLingXin,BoWei.Chin.J.Anal.Chem.,2021,49(2):159171.劉豐,韓京龍,齊驥,張昱,于佳洛,李文鵬,林棟,陳令新,李博偉.分析化學.2021,49(2):159171.

            [4]PANGY,YANGZ,YANGY,RENTL.Small,2019,16(15):1901124

            [5]ZANGYP,ZHANGFJ,DICA,ZHUDB.Mater.Horizons,2015,2(2):140156.

            [6]VATANIM,LUY,ENGEBERGED,CHOIJW.IntJPrecisEngMan.,2015,16(7):13751383.

            [7]YANGYN,SHILJ,CAOZR,WANGRR,SUNJ.Adv.Funct.Mater.,2019,29(14):1807882.

            [8]CHAOM,HEL,GONGM,LIN,LIX,PENGL,SHIF,ZHANGL,WANP.ACSNano,2021,15(6):97469758.

            [9]CHENGW,WANGJ,MAZ,YANK,WANGY,WANGH,LIS,LIY,PANL,SHIY.IEEEElectronDeviceLett.,2018,39(2):288291.

            作者:朱國建1,2陳愛英王冉冉*2,3孫靜

          中文字幕中文有码在线
        2. <pre id="1e866"><s id="1e866"></s></pre>
            1. <td id="1e866"><ruby id="1e866"></ruby></td><td id="1e866"></td>
                <tr id="1e866"><label id="1e866"></label></tr>
              1. <pre id="1e866"><strong id="1e866"></strong></pre>

                <p id="1e866"></p>