測量心率和脈搏波等低頻生理信號在生物醫學應用中起著至關重要的作用，可用于早期診斷心血管異常活動。柔性機械電子學的最新進展代表了一種用于在運動情境中測量心率的微型可穿戴傳感器的新概念。然而，大多數機械傳感器要求傳感元件直接放置在皮膚表面上，這可能導致因皮膚明顯變形或皮膚物體相互作用的外力而引起的性能下降或設備損壞。

據麥姆斯咨詢報道，近日，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的科研團隊通過開發柔性、可拉伸的機械聲學傳感平臺來應對上述挑戰，該傳感平臺中所有傳感組件均不會直接受到皮膚運動或變形的影響。相反，這種設計使得心血管脈搏波通過空心柔性微通道傳播，從而振動壓阻傳感元件。實驗研究表明，這套完整的無線傳感系統能夠探測脈搏波和心率，其結果與市售設備一致。這項研究所提出的機械聲學傳感概念還支持開發其它無線柔性傳感系統，例如用于檢測用戶喉部運動的吞咽模式的柔性空氣通道墊，從而為潛在的監測和吞咽困難評估提供一個無創和遠程平臺。

圖1展示了該研究用于心率測量應用的傳感器的基本設計，由三個主要部件組成：（1）位于指甲上的壓阻式硅懸臂梁，用于探測聲波；（2）由Ecoflex制成的柔性可拉伸微通道，用于聲波傳播；（3）位于手腕上的集成藍牙模塊的放大電路，用于信號處理和記錄。因此，測量硅懸臂梁的動態電阻變化有助于量化用戶的脈搏波和心率。

圖1 用于實時無線監測脈搏波的可穿戴柔性機械聲學傳感裝置概述

圖2展示了可穿戴脈搏波傳感器的制造工藝示意圖。采用絕緣體上硅（SOI）晶圓制備硅懸臂梁，尺寸為300 nm × 100 μm × 100 μm。由于該傳感器的剛性組件位于身體的剛性部分（指甲），而柔性組件（Ecoflex膠套）與高度可變形的組織相接觸，因此該設計顯著改善了裝置與人體皮膚之間的保形接觸。

圖2 機械聲學傳感器及硅膠套的制造工藝

隨后，研究人員對該聲學傳感器進行了表征，相關結果如圖3所示。圖3A和圖3B展示了所制備硅聲學傳感器的照片。研究中使用高精度壓力校準器（KAL200 Halstrup）來對壓阻傳感器進行校準（如圖3C）。

圖3 聲學傳感器（心率測量裝置的主要傳感組件）的表征

接著，研究人員使用帶無線模塊的完全集成柔性傳感器對健康受試者進行心率測量（如圖4A）。機械聲學傳感器能夠清晰地探測到脈搏波信號的關鍵特征，如收縮峰值、舒張峰值以及切跡等，并將結果顯示在智能手機APP上（如圖4B）。從健康受試者記錄的這些峰值的模式和時間間隔與典型的脈搏波形一致。

圖4 心率測量裝置的性能

采用與上述心率測量裝置類似的設計，研究人員進一步展示了一種基于機械聲學傳感器的無創柔性吞咽模式檢測裝置。如圖5所示，該裝置沒有使用如心率測量裝置那樣的柔性硅膠套，而是使用柔性硅膠墊（Ecoflex-30）合圍了1 mm的空氣通道，從而形成壓力室，并使用Aerofilm（一種醫用級防水且可生物降解的粘合劑，如圖5A）將其附著在用戶的環狀軟骨上。硅膠墊通過硅膠管（如圖5B）和3D打印的外殼（如圖5C）連接到機械聲學傳感器上。相關測試結果如圖5E和5F所示。

圖5 基于柔性機械聲學傳感器的無線柔性吞咽模式檢測裝置

綜上所述，這項研究利用位于指甲上的壓阻式硅懸臂梁和纏繞指尖的Ecoflex通道，開發了一種高靈敏度機械聲學傳感器。這種設計增強了裝置的耐用性，由于沒有傳感元件與皮膚直接接觸，從而減少了機械應力和變形。柔性Ecoflex膠套（不含傳感元件）與皮膚接觸既舒適又牢固。將傳感裝置與無線模塊和智能手機APP連接，就能測量脈搏波形和心率（HR）。對健康受試者的實驗研究結果與市售設備一致，證明了該低成本、輕量級、可穿戴系統在個性化心血管監測方面的能力。此外，基于類似的柔性機械聲學傳感器和柔性Ecoflex硅膠墊，這項研究還擴展開發了一種無線柔性裝置，用于從用戶的喉部運動檢測吞咽模式，從而為潛在的監測和吞咽困難評估提供一個無創和遠程平臺。

審核編輯：彭菁