01 研究背景

胎動(dòng)是胎兒神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉骨骼系統(tǒng)發(fā)育良好的重要信號(hào)，但約 15% 的孕婦會(huì)出現(xiàn)胎動(dòng)減少，這常與胎兒死亡或死產(chǎn)相關(guān)。健康胎兒通常每 30～40 分鐘在活躍與安靜之間循環(huán)，而胎兒在宮內(nèi)受損時(shí)會(huì)減少運(yùn)動(dòng)以節(jié)省氧氣，這一變化可能早于死產(chǎn)出現(xiàn)。因此，準(zhǔn)確識(shí)別胎動(dòng)模式十分關(guān)鍵。但目前常用的監(jiān)測(cè)方式仍較有限：最常用的方法依靠孕婦自行感知，但研究顯示，大約四成胎動(dòng)其實(shí)不會(huì)被察覺；超聲雖然能直觀觀察到胎動(dòng)，卻必須依賴專業(yè)人員操作，且只能在醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行；胎心監(jiān)護(hù)設(shè)備體積較大，需要綁帶固定、操作和解讀也需專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，因此一般僅用于高危妊娠?？梢哉f，真正便捷、客觀、適合日常使用的胎動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)至今仍是臨床上的空白。

近幾年的研究提出了一些新的胎動(dòng)監(jiān)測(cè)方式，包括利用壓電傳感器檢測(cè)胎動(dòng)引起的壓力變化、用微機(jī)械聲學(xué)傳感器捕捉胎動(dòng)產(chǎn)生的微振動(dòng)，以及通過加速度計(jì)監(jiān)測(cè)孕婦腹部的位移。然而，這些方法普遍存在信號(hào)干擾嚴(yán)重的問題，例如環(huán)境噪聲和震動(dòng)會(huì)掩蓋胎兒本身的信號(hào)；加速度計(jì)難以區(qū)分母體運(yùn)動(dòng)與胎動(dòng)，且對(duì)佩戴位置要求嚴(yán)格，否則準(zhǔn)確性會(huì)明顯下降。此外，這類可穿戴設(shè)備多需搭配面積較大的綁帶，佩戴舒適度較差，限制了其日常使用性。

本研究提出了一種由人工智能驅(qū)動(dòng)的、創(chuàng)可貼式可穿戴壓力—應(yīng)變復(fù)合傳感系統(tǒng)，可連續(xù)、準(zhǔn)確地捕捉胎動(dòng)引起的母體腹部皮膚微小位移。研究設(shè)計(jì)的八邊形金納米線薄膜作為全方向應(yīng)變傳感器，在二維與三維仿生腹部模型中分別覆蓋約 77 與 217 cm2 的檢測(cè)范圍；相比之下，壓力傳感器雖具有更高的局部檢測(cè)精度，但有效范圍較小，僅約 13 與 38 cm2。基于兩類傳感器的特性，本研究進(jìn)一步研制了厚度約 3 mm、面積 10～14 cm2、重量約 3 g的高度集成創(chuàng)可貼式貼片。在 59 名孕婦的測(cè)試中，僅通過兩個(gè)貼片即可采集數(shù)據(jù)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)了超過 90% 的胎動(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確率（輔以超聲為驗(yàn)證）。這種智能化、輕便且佩戴舒適的貼片式傳感系統(tǒng)，展現(xiàn)出在院外開展連續(xù)胎動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用潛力。

02 研究概述

設(shè)計(jì)原則與傳感器的制備

本研究利用柔性機(jī)械傳感器，直接測(cè)量腹部皮膚的側(cè)向應(yīng)變與垂直壓力，以獲得更直觀的胎動(dòng)信息。然而胎兒位置、傳感器靈敏度與覆蓋范圍等因素都會(huì)影響監(jiān)測(cè)效果，因此在盡量減少傳感器數(shù)量的前提下實(shí)現(xiàn)高傳感準(zhǔn)確度，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵目標(biāo)。

為驗(yàn)證這一思路，本研究分別設(shè)計(jì)了柔性應(yīng)變和壓力傳感器用于模擬胎動(dòng)檢測(cè)。其中，八邊形應(yīng)變傳感器因具有七條直邊與八個(gè)角點(diǎn)，可更均勻響應(yīng)不同方向的形變；有限元分析也顯示，其靠近胎動(dòng)位置的角點(diǎn)形變最為顯著。相比之下，傳統(tǒng) U 形結(jié)構(gòu)的響應(yīng)范圍更有限。兩類傳感器均基于垂直取向的金納米線材料，通過掩膜圖案化制備在 SEBS 基底上，并以約 150 μm 厚度封裝成柔軟貼片；掃描電鏡也證實(shí)了金納米線在基底表面的垂直排列結(jié)構(gòu)。

在直徑 200 mm 的彈性 Ecoflex 薄片上安裝傳感器并進(jìn)行模擬胎動(dòng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)施加模擬踢力時(shí)，八邊形（Octa）應(yīng)變傳感器局部產(chǎn)生明顯形變并出現(xiàn)裂紋，裂紋寬度隨載荷增加而擴(kuò)大，電阻隨之上升，可檢測(cè)半徑約 5 cm，覆蓋人工腹部約 25% 面積；相比之下，傳統(tǒng) U 形傳感器和紙基壓力傳感器檢測(cè)范圍更小。通過調(diào)整八邊形尺寸與金納米線生長(zhǎng)時(shí)間，優(yōu)化了靈敏度與佩戴舒適度的平衡。Octa 傳感器在不同方向應(yīng)變下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的電阻變化，顯示全方向高靈敏性，而 U 傳感器則對(duì) 45° 方向敏感性下降，呈單向特性。微觀觀察表明，裂紋擴(kuò)展與傳感器靈敏度呈正相關(guān)，說明 Octa 傳感器能夠高精度、多方向捕捉胎動(dòng)信號(hào)，同時(shí)響應(yīng)快速，適合監(jiān)測(cè)如胎兒踢動(dòng)、翻滾等多類型胎動(dòng)。

傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

（圖片來自論文）

三維人工腹部模型的應(yīng)用驗(yàn)證

研究人員在三維硅膠人工腹部上測(cè)試了傳感器對(duì)胎動(dòng)的檢測(cè)能力，將人工腹部分為四個(gè)大象限，并在每個(gè)象限放置 Octa 應(yīng)變傳感器和壓力傳感器。模擬約 15 N 的踢力作用下，壓力傳感器表現(xiàn)出局部靈敏性，每個(gè)傳感器覆蓋約 4% 面積，四個(gè)傳感器合計(jì)可監(jiān)測(cè)約 16%；而 Octa 傳感器覆蓋面積更廣，每個(gè)約 23%，四個(gè)傳感器合計(jì)覆蓋超過 90%。考慮到孕婦活動(dòng)可能產(chǎn)生干擾，應(yīng)變傳感器雖靈敏但易受影響，而壓力傳感器對(duì)腹部肌肉活動(dòng)不敏感，因此本研究將兩者組合，既可獲得廣泛響應(yīng)，又保留局部精確檢測(cè)，組合系統(tǒng)仍可監(jiān)測(cè)約 50% 面積。此外，Octa 傳感器在不同方向、不同載荷位置均表現(xiàn)出一致的全向靈敏性，相比 U 形傳感器更適合捕捉多方向胎動(dòng)。基于傳感器信號(hào)，進(jìn)一步開發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過 100 Hz 數(shù)據(jù)構(gòu)建多層感知器（MLP）模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)胎動(dòng)位置和力度的預(yù)測(cè)，在已見位置的測(cè)試中，平均定位誤差僅 1.2 mm，力的平均絕對(duì)誤差為 0.13 N；對(duì)于未見位置，定位誤差為 26.5 mm，但力預(yù)測(cè)仍保持可靠，表明增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)可進(jìn)一步提高模型泛化能力。

三維人工腹部系統(tǒng)中的模擬功能性運(yùn)動(dòng)。

（圖片來自論文）

壓力應(yīng)變組合傳感器系統(tǒng)的搭建

為驗(yàn)證 Octa 應(yīng)變傳感器和壓力傳感器在臨床胎動(dòng)監(jiān)測(cè)中的可行性，本研究開發(fā)了兩款柔軟、輕薄、可穿戴貼片，每片集成一枚 Octa 傳感器和一枚壓力傳感器，可貼合孕婦腹部。貼片采用聚酰亞胺（PI）柔性電路板，內(nèi)置薄型鋰聚合物電池和集成電路芯片，并用醫(yī)用雙面硅膠膠帶固定在腹部表面。Octa 傳感器可通過獨(dú)立接口便捷更換，而壓力傳感器則貼在雙面膠上，與底層指狀電極接觸，每次試驗(yàn)后可更換以保證衛(wèi)生。兩款貼片均輕巧緊湊，分別為 63×30×4 mm 和 62×28×2 mm，并設(shè)計(jì)了可彎曲區(qū)域以貼合腹部曲面，同時(shí)在芯片位置增加加固結(jié)構(gòu)防止彎曲導(dǎo)致剝離。設(shè)備內(nèi)部集成電池、電壓調(diào)節(jié)、電路信號(hào)調(diào)理及藍(lán)牙芯片，可實(shí)時(shí)讀取傳感器電阻、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至 MicroSD 卡，并通過手機(jī) App 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與查看，實(shí)現(xiàn)便捷的胎動(dòng)監(jiān)測(cè)。

壓力應(yīng)變組合傳感器系統(tǒng)

（圖片來自論文）

臨床研究

本次開發(fā)的輕薄“創(chuàng)可貼”式貼片易貼合于孕婦腹部，并在 59 名孕婦半臥位試驗(yàn)中表現(xiàn)良好。壓力傳感器貼于母體感受到最強(qiáng)胎動(dòng)的腹部區(qū)域，Octa 應(yīng)變傳感器則貼近胎兒肢體方向，同時(shí)胸部佩戴加速度計(jì)用于記錄非胎動(dòng)數(shù)據(jù)以去噪。小巧的設(shè)計(jì)使貼片可與超聲同步驗(yàn)證，結(jié)果顯示壓力傳感器可精確捕捉局部胎動(dòng)（如踢動(dòng)、呼吸、抽搐），Octa 傳感器則擅長(zhǎng)檢測(cè)非局部信號(hào)（如打嗝、頭部動(dòng)作、胎兒行為狀態(tài)）。為去除母體動(dòng)作和環(huán)境干擾，本研究利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)胎動(dòng)進(jìn)行二分類檢測(cè)，單傳感器系統(tǒng)壓力貼片的準(zhǔn)確率為 89.5%，Octa 貼片 84.6%，而壓力-應(yīng)變組合系統(tǒng)的準(zhǔn)確率提升至 92.2%，敏感性 78.2%，特異性 90.9%，兩種傳感器互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)明顯。系統(tǒng)對(duì)胎動(dòng)位置變化、體重指數(shù)、羊水量及傳感器到胎兒的距離均不敏感，在不同溫濕度條件下響應(yīng)穩(wěn)定，且在連續(xù) 25 小時(shí)使用及 1000 次循環(huán)載荷測(cè)試后仍能維持穩(wěn)定信號(hào)，顯示了其高環(huán)境耐受性和長(zhǎng)期可靠性，為連續(xù)、精準(zhǔn)的日常胎動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了可行方案

多模態(tài)信號(hào)的記錄

（圖片來自論文）

壓力與應(yīng)變組合傳感器的機(jī)器學(xué)習(xí)

（圖片來自論文）

03 研究意義

本研究開發(fā)了輕薄可穿戴的壓力-應(yīng)變傳感貼片，實(shí)現(xiàn)對(duì)母體腹部皮膚變形的連續(xù)監(jiān)測(cè)。相比傳統(tǒng)依賴母體感知或超聲的間歇性監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)覆蓋廣、定位準(zhǔn)，可檢測(cè)多種胎動(dòng)類型，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)提升識(shí)別準(zhǔn)確性。該技術(shù)為連續(xù)、便捷、日?；奶?dòng)監(jiān)測(cè)提供了新策略，有望幫助孕婦實(shí)時(shí)了解胎兒健康狀況，提升妊娠管理和胎兒安全。

文章來源：

https://www.science.org/doi/10.1126/scidav.ady2661