近日，浙江清華柔性電子技術研究院的研究團隊利用柔性混合集成技術開發(fā)了一款用于連續(xù)呼吸監(jiān)測的類皮膚集成器件（SHIC呼吸監(jiān)測器件）。柔性類皮膚器件具有輕、薄、柔等特點，可模擬人體皮膚對外界刺激的反應，舒適地貼附于人體表面監(jiān)測不同生理參數(shù)，與傳統(tǒng)的醫(yī)療設備相比更具靈活性和便攜性，在生命健康監(jiān)測領域具有巨大的應用前景。相關研究成果在國際學術期刊《先進電子材料》（Advanced Electronic Materials）上發(fā)表，浙江清華柔性電子技術研究院陳穎博士為該研究成果的第一作者，清華大學馮雪教授為該研究成果的通訊作者。該項研究得到國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學基金等的資助。

呼吸監(jiān)測的重要性

呼吸作為人類最基本的生命體征，與人體的心理和生理狀態(tài)有著緊密的映射關系。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，呼吸系統(tǒng)疾病已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中的健康殺手，例如睡眠呼吸暫停癥（Sleep Apnea），患者會出現(xiàn)呼吸暫停、呼吸變淺、呼吸不規(guī)律等呼吸失調(diào)癥狀，且患病率正呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。該疾病不僅會加劇日間疲勞，甚至會誘發(fā)一系列并發(fā)癥，如高血壓、心臟病、中風、2型糖尿病、肝臟問題等，除此之外，伴侶的睡眠質(zhì)量也會一定程度上受到影響。研究表明，合理地調(diào)整呼吸節(jié)奏對人體的身心健康至關重要，呼吸訓練可以在一定程度上緩解壓力、焦慮、慢阻肺和創(chuàng)傷后應激障礙(PTSD)等健康問題。因此，呼吸監(jiān)測在日常生活、康復訓練、臨床治療等領域都具有重要意義。

SHIC呼吸監(jiān)測器件的工作原理與性能優(yōu)勢

SHIC呼吸監(jiān)測器件集成了類皮膚的柔性混合電路、可延展柔性傳感單元以及信號處理單元 (如圖1a所示)，與人體表面完美共形，可持續(xù)穩(wěn)定地進行呼吸監(jiān)測。根據(jù)美國睡眠醫(yī)學會的呼吸標準(呼出空氣的溫度接近體溫，吸入空氣的溫度接近環(huán)境溫度)，該器件搭載了基于壓縮屈曲構(gòu)型的溫度傳感器，測量吸入和呼出空氣的溫度變化（如圖1b所示），并利用傳熱學分析的理論模型進行信號處理。相較于其他硬質(zhì)呼吸監(jiān)測設備，SHIC呼吸監(jiān)測器件（如圖1c所示）具有優(yōu)越的信噪比及力學順應性，可以在面部動態(tài)變形環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定地工作。

圖1 SHIC呼吸監(jiān)測器件

a）類皮膚柔性混合電路與可延展柔性傳感單元集成示意圖，b）測量吸入和呼出空氣的溫度變化，c）器件實物圖

目前已經(jīng)有多導睡眠圖、商用可穿戴設備（如Spire Stone）、鼻式和身體式設備作為呼吸監(jiān)測的手段，如表1對比所見，SHIC呼吸監(jiān)測器件解決了現(xiàn)有呼吸監(jiān)測技術中器件剛性、有線導聯(lián)、傳感單元與信號處理單元分離帶來的不舒適感、精度差、不可長期監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸與處理滯后等問題。

SHIC呼吸監(jiān)測器件的應用價值

人們可以在休息、鍛煉、就餐和睡覺等各種日常活動中佩戴SHIC呼吸監(jiān)測器件（如圖2所示），進行實時無線呼吸信號監(jiān)測。在慢跑過程中，呼吸信號可反應不同的運動狀態(tài)，并且得益于器件中“可呼吸”的半透膜，信號不會受到汗液的影響（如圖2a）。該器件也可辨別口呼吸和鼻呼吸（如圖2b），這對呼吸矯正有一定的指導意義。如圖2c，d所示，該器件成功捕捉到了睡眠時的呼吸暫停情況?？偠灾琒HIC呼吸監(jiān)測器件在運動和睡眠醫(yī)學中具有重要的應用價值，通過呼吸監(jiān)測可以了解運動強度、呼吸方式、呼吸系統(tǒng)疾病等，并且該研究提出的系統(tǒng)級柔性混合集成電路為人體其他生理信號的連續(xù)實時監(jiān)測提供了重要基礎，為人體健康監(jiān)測器件的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應用提供了新的研究思路。

圖2 多場景下的呼吸監(jiān)測應用

a) 慢跑時的呼吸信號， b）口呼吸和鼻呼吸的信號對比，c）睡眠時的呼吸信號，并捕捉到了d）呼吸暫停