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用于人体健康监测的可穿戴传感器件研究进展

时间:2022年03月04日 所属分类:医学论文 点击次数:

摘要可穿戴电子产品因其体积

  摘要可穿戴电子产品因其体积小、佩戴舒适、检测方便等优点,在测量人体生命体征和生理信息研究中受到越来越多的关注,在疾病诊断、康复治疗和日常健康评估领域具有广阔的应用前景。可穿戴传感器作为可穿戴电子产品中采集信息的关键模块,受到了广泛关注,获得了快速发展。本文主要聚焦可穿戴传感器在健康监测领域的应用,围绕关键的生理和生化指标检测,系统地阐述了相应可穿戴传感器的研究现状与前沿热点,分析了各类传感器的优势与不足,并对可穿戴传感器未来的发展趋势进行了探讨。

  关键词可穿戴传感器;健康监测;多功能传感器;柔性电子;评述

人体健康论文

  可穿戴设备是指可以佩戴在人体不同部位连续、实时获取物理、化学、生物量信息,从而为健康监测和医疗诊断等应用提供服务的设备。随着世界多国老龄化加剧,慢性病以及突发疾病引起的死亡或残疾问题日益突出,健康监护用可穿戴设备受到了广泛关注[12]。

  健康方向论文: 个体健康研究中的因果推断方法、应用与展望

  可穿戴设备主要由传感器、电源模块、数据采集与信号传输模块等组成,其中传感器件作为可穿戴设备的主要功能部件成为当前的研究热点。已有一些综述文章报道了柔性可穿戴传感器用于人体健康监测的研究进展[3],但大多集中在单一指标检测或单一传感器的应用探索。本文针对动作、呼吸、脉搏、血压、心率、心电、汗液、唾液等关键的生理和生化指标,介绍了用于检测这些指标的主要可穿戴传感器类型,分析了各类传感器的优势与不足,综述了其研究进展,并对可穿戴健康监测传感器所面临的挑战和未来的研究方向进行了总结与展望。

  1单一指标监测

  1.1人体生理信号监测

  1.1.1身体动作监测

  肢体动作与微表情监测对于健康评估、智慧教学、人机交互等领域具有重要意义[4]。由于四肢弯曲和足部行走通常伴随较大的应变和压力变化,现有传感技术难以实现对这些变化的直接测量。柔性压力应变传感器具有感应范围宽、灵敏度高、轻便柔软、易集成的特点,在穿戴式动作监测领域极具优势[56]。根据测试原理的不同,柔性压力应变传感器主要分为电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。其中,电阻式压力应变传感器的工作原理为器件在应力作用下发生变形,导电介质的分布状态发生变化,导致导电通路发生变化,从而引起电阻有规律地变化。

  新颖的柔性导电材料(如MXene、碳纳米管(CNTs)、石墨烯和银纳米线等[78])以及独特的微纳结构设计(如金字塔[9]、微柱和互锁结构等[10])使得电阻式压力应变传感器的灵敏度和感应范围不断提升。Wang等[11]报道了一种基于三维自交联碳纳米棒阵列(CNA)的柔性医疗传感器),与二维碳纳米管网络和固体薄膜相比,这种自交联几何结构在应变下具有较高的抗裂纹和断裂能力。

  该传感器在检测弯曲和低频振动(<6Hz)方面具有高灵敏度和良好的稳定性(~10000次循环,可用于屈曲检测。通过跟踪监测与健康相关的静止震颤可对帕金森疾病进行预诊断。Yang等[12]通过模仿玫瑰花瓣的微观结构,开发了一种具有高灵敏度和宽压力检测范围的柔性压阻式压力传感器。该传感器由分层聚苯胺聚偏氟乙烯纳米纤维(HPPNF)薄膜夹在两个微穹顶结构的联锁电极之间,由于联锁层次化结构扩大了三维变形率,所设计的传感器的灵敏度高(53kPa−,响应时间短(38ms),再现性良好(>50000次循环。

  这种贴合皮肤的传感器成功地展示了对人体运动状态的监测,如喉咙活动、脊柱姿势和步态识别。虽然导电网络具有很高的灵敏度,但在压力应变下其微结构变化具有不可控性,因此,电阻式应变传感器的响应重复性仍有待提升。此外,电阻式压力应变传感器难以实现对高频压力应变信号的响应,因而在高速运动监测方面存在困难。压电式传感器可以很好地满足高频信号的检测需求,但压电材料多为无机非金属材料[13],如何在不降低其性能的前提下实现柔性化仍是一个挑战。摩擦电式压力应变传感器具有自供电的潜在能力,因而受到广泛关注,在动作监测中得到了应用验证[1415]。但是,摩擦电效应易受环境影响,器件的稳定性和响应重复性等问题仍亟待解决。

  1.1.2呼吸监测

  呼吸是重要的生命体征,呼吸监测主要包括对呼吸频率和呼吸深度的监测,为健康评估、呼吸系统疾病诊断和治疗如哮喘、慢性支气管炎和肺气肿提供重要信息[16]。目前,最有效的呼吸信号检测方法包括呼出气直接测量和胸腔应变间接测量两种方式。基于压电和摩擦电工作机制的自供电压力传感器可直接感知呼吸气流的强度变化,进而产生相应的电压信号,但通常需要集成到口罩或面罩中使用,便携性略差,并且易受气流湿度干扰[17]。

  将气湿敏传感器安置在口罩或面罩中也可用于检测呼吸频率和深度,但这类传感器响应速度较慢[18]。当人体呼吸时,胸腔和腹部会随着呼吸发生周期性的形变,从而间接反映出人体呼吸的状况。因此,可通过将压力应变传感器贴于胸腔和腹部或集成到衣物中,间接获取呼吸信号。Fan等[19]提出了一种由导电纱线和尼龙纱线组成的摩擦电全纺织传感器阵列。TATSA具有高的灵敏度(7.84mV/Pa)、短的响应时间(20ms)和良好的稳定性(>100000次循环,可直接集成到衣服的不同位置,同时监视动脉搏和呼吸信号。

  然而,此类基于纺织物的传感器也有自身的缺陷:首先,在舒适和灵敏度之间存在内在的矛盾,为了获得高质量的信号,衣服的相关位置需要紧绷,因而不适宜长时间穿着;其次,信号结果易受身体运动干扰,只有在静态测量时才能获得较高质量的信号。相比之下,类似于粘合绷带的贴片式传感器比纺织品传感器更小巧轻便,更适用于动态监测。Chu等[20]将褶皱结构金属薄膜应变传感器放置在腹部和胸腔上测量呼吸速率和深度褶皱结构有助于控制裂纹扩展,使传感器在保持灵敏度的同时具有更大的动态范围。

  该呼吸传感器尺寸比创可贴小,并采用三轴加速度计测量用户的运动,并可删除运动伪影,实验结果初步证明,在行走和跑步条件下,该传感器仍可正常记录呼吸信号。综上,提升呼吸传感器在不同环境下的稳定性和可靠性,探索日常呼吸信号与特定呼吸系统疾病之间的关联性,有效地处理呼吸信息,包括数据的测量、传输、存储和分析,是目前呼吸传感应用需要解决的实际问题。

  1.1.3脉搏/血压监测

  心率(HR)或脉搏是心脏周期的频率,脉搏波的细节会因年龄、身体状态甚至精神状态的不同而不同,中医将诊脉结果作为疾病判断的重要标准之一。

  脉冲信号来自动脉的压力回流,通常具有个可清楚区分的波峰,通过适当的信号处理和模式识别方法可以揭示心脏和血管的状况。光电容积描记法(PPG)是一种基于光学原理检测脉搏波的技术,利用发光二极管照亮动脉,并捕捉反射信号。由于特定波长的光吸收或反射的量取决于光路中存在的血液量,当动脉内的血液发生流动,PPG信号对血液体积的变化做出响应,从而反映心脏活动引起的周期性收缩和舒张[21]。

  目前,大部分市售智能手表和健康手环都是采用PPG技术监测心率和血氧饱和度的变化。但是,该技术在佩戴者进行高强度运动或者有环境光噪声干扰的情况下,会影响心率监测的准确性。另一方面,许多PPG传感器体积较大、材质坚硬,不适合长期佩带,并被限制在身体特定部位使用,通常是手指或耳垂处。因此,有效解决PPG技术传感器的运动伪影以及长期穿戴舒适性将是今后的主要研究方向。

  利用力电法进行心跳或脉冲波的采集以及心脏状况的监测已成为当前的研究热点,该方法可以对桡动脉、颈动脉及指尖上的压力进行长时间监测,得到相关参数。Yang等[22]开发了一种基于编织织物结构的石墨烯应变传感器,检测了不同年龄人群和运动前后的脉搏搏动变化情况。由于石墨烯具有独特的交叉形态和裂纹扩展模式,该应变传感器显示出极高的应变系数(Gaugeactor,GF),分别为500(02%)、10(2%~6%)和10(>8%)。但是,传感器与皮肤界面的接触不稳定会导致所测信号信噪比较低、线性度差,难以进行定量分析。

  通过改进可穿戴压力传感器的介电层材料和柔性电极的表面微结构,可以改善非线性,提高灵敏度。Bao研究组[23]开发了一种采用锥形PDMS介质层和微毛结构界面的压力传感器,微毛结构改善了传感器与不规则表皮表面的接触,显著提高了信噪比,并实现了对深颈内静脉脉搏(JVP)的成功监测。JVP是检测心律失常或心包疾病的重要参数[24]。除微毛结构外,研究者还发展了多种微结构。Zhou等[25]采用模板法设计了基于网格结构的有机金属框架MOF混合阵列,并制作了柔性压力传感器。

  MOF混合阵列的层次结构模拟了人体皮肤的微纳米级结构,实现联锁接触,可显著提高柔性对电极膜的机械变形能力,使得压力传感器响应速度快(<1ms),灵敏度高可达到307kPa−,可用于监测手指运动和人体脉搏。血压(BP)是反映人体血管状况特别是血液对血管压力的一项重要生理参数,通常采用收缩压和舒张压表征。目前广泛使用的袖带血压计便携性差,成本高,不利于对心血管疾病指标进行连续、分布式监测。因此,开发可穿戴、低功耗、无创、长期的血压监测传感器,对心血管疾病的诊断和预防至关重要[26]。由于现有技术手段的限制,可穿戴传感器件仍无法实现血压的直接测量,许多研究者致力于开发基于脉搏波传导时间或者脉搏波系波形进行动态血压估计的新技术。

  Fang等[27]直接在棉织物上喷涂碳纳米管CNTs)溶液与FEP无纺布,组成可在出汗状态下使用的摩擦电传感器件,棉织物固有的层次化结构提高了传感器对微弱脉冲的灵敏度,信噪比(SNR)为23.3dB,响应时间40ms,灵敏度高达0.21A/kPa。在机器学习算法的帮助下,该压力传感器可连续精确地测量收缩压和舒张压,其准确性与商用血压袖带相当。但是,这种方法需要一定的算法或数学模型支撑,并且需要用医用血压计进行校准估算,使用起来并不方便。利用超声成像手段进行生命体征监测是一条新的技术途径。

  为解决传统超声设备体积大、材质刚性、无法与人体表面良好耦合和难以连续监测等不足之处,Feng研究组[28]研发了一种柔性压电超声换能器阵列,用于测量劲动脉血压。该器件厚度仅mm,重0.75,可轻柔贴附于皮肤表面,达到与临床大型超声设备相近的测量精度,并可实现长期连续监测,监测过程中无需校准。

  1.1.4电生理信号

  人体的电生理信号与大脑、心脏和神经的健康状况密切相关。生物电极是捕获和分析电生理信号的关键部件,可以测量细胞受到刺激后与相邻位置产生的电势差信号[29]。为获得高质量、稳定的生物电信号,生物电极应满足以下条件:(1)尽量减小电极与皮肤之间的界面阻抗,以保证信号振幅足够大;(2)电极应提供稳定的接触界面,减少检测过程中的运动伪影;(3)电极还应具有良好的生物相容性,避免对人体造成损害。Ag/AgCl电极是目前临床应用最广泛的无创电极,通常与导电凝胶配合使用,可降低电极与皮肤之间的界面阻抗,提供稳定的生物电信号。然而,传统的Ag/AgCl电极也存在局限性:如用于减少接触阻抗的凝胶在长期测量后可能会引起皮肤过敏,并且凝胶易失水,不利于长程监测;此外,电极的刚性性质导致了较高的运动伪影。

  1.2人体代谢物监测

  除上述生理信号外,人体代谢物的生化参数与个体的健康状况密切相关,可为健康监测和疾病诊断提供更多的参考资料。可穿戴生理生化传感器通常采用化学方法检测生物物质的组成和含量41。传感材料与目标检测物质之间的化学反应改变了传感器的电学特性,因此,可通过分析传感器的电学参数获取生理健康信息。根据检测样品的不同,主要可分为汗液检测、唾液检测和呼出气检测。

  2多功能监测

  将多功能传感元件集成到一个平台,这是近年来可穿戴电子技术发展的重要趋势之一,未来的可穿戴电子设备应以同时对多种生理及生化指标进行实时检测、提供更全面的人体健康和环境信息为最终目标5859。

  为了解决对多种物理刺激解耦分析的难题,Zhang等60制备了微结构框架支撑的有机热电(MFSOTE)材料温度压力双功能传感器,将多信号干扰降至最低,该传感器利用独立的热电和压阻效应,将温度和压力转换为分离信号,温度分辨率小于0.1K,高压传感灵敏度高达28.9kPa−。类似地,多功能传感器阵列有望实现不同生理信号的同步和选择性测量。

  Yamamoto等61提出了一种灵活、多功能的印刷式健康诊断传感器,配备了一个三轴加速度传感器和由碳纳米管薄膜晶体管控制的紫外光传感器。这种一次性传感贴片的设计采用了低成本的制造方法,并且兼具佩戴舒适性,可同时监测皮肤温度、心率、紫外线照射和身体活动。Hua等62设计了一种具有高度可伸缩性和适应性的矩阵网络(SCMN),种特定可扩展传感器单元集成在聚酰亚胺网络上,以实现温度、应变、湿度、光、压力等参数的精确解耦分析。

  然而,随着更多参数的引入,这种类型的器件通常具有复杂的结构,并且制造过程繁琐。电子纹身(Etattoo)或电子皮肤(Eskin)是最新开发的可穿戴电子产品,其重量轻,如人的皮肤般柔软,可紧密地贴合在人体皮肤上,进行无创、高保真检测6365。

  由于电子皮肤直接接触皮肤,需要确保其不会危害人体健康。因此,生物相容性材料是此类产品的首选。蚕丝蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白,由于其具有机械耐久性、可调谐的二级结构和良好的生物相容性而成为应用最多的材料之一,研究者采用各种方法提高蚕丝蛋白复合材料的延展性和导电性。

  Wang等66报道了一种基于石墨烯丝素蛋白/Ca2+组合的多功能自愈合电子纹身,通过简单的丝网印刷过程便可转移到人体皮肤上。石墨烯薄片形成的导电路径可响应外界应变、湿度和温度变化,具有灵敏度高、响应快速和长期稳定等优势,甚至在完全破裂后,0.3s内即可达到100%的愈合效果。Gogurla等67推出了一种含碳纳米管的天然丝蛋白膜组成的多功能、生物兼容、超薄电子纹身系统,电子纹身层压在皮肤上时,在机械变形下,其电导率非常稳定,可用于精确监测心电图和肌电图信号、测量皮肤温度,并协助药物的传递。

  3总结与展望

  近年来,实时、智能监测需求日益增长,促进了可穿戴传感设备的快速发展,其中,可穿戴传感器作为重要的功能模块受到了广泛关注。研究者已研制出具有多种功能的柔性可穿戴传感器,其性能大幅度提升。本文以关键的生理指标检测为主线,系统阐述了相应的柔性可穿戴传感器的研究现状,探讨了各类传感器的优势与不足。

  柔性新材料与先进柔性电子制造技术的发展拓展了传感器的设计理念,与传统传感器相比,新型柔性压力、应变等传感器的灵敏度和感应范围更佳。高灵敏度、低成本、便携和具有良好的长期稳定性的柔性传感器件的成功制造,预示着柔性可穿戴电子器件将成为未来个性化医疗领域的主流68。然而,目前可穿戴传感器的实际应用仍存在一些挑战:首先,稳定性、响应重复性以及不同器件之间的性能一致性是柔性可穿戴传感器获得应用的前提,目前这方面的研究相对较少。

  其次,虽然许多柔性传感器展现出优异的性能,但制备工艺复杂,难以实现规模化制备。发展简单、便捷的柔性传感器制备方法,实现批量化制备,是其可用于实际应用的关键。第三,多功能集成是柔性可穿戴电子的未来发展趋势,然而各种信号之间存在串扰问题,实现互不干扰的多功能感知也是柔性可穿戴传感器的重要发展方向。最后,全天候实时监测势必导致较高的能耗,因而发展低功耗传感器以及相应的电源优化管理方法也具有至关重要的意义。

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  作者:朱国建1,2陈爱英王冉冉*2,3孙静