圖片來源：University of Waterloo

導(dǎo)讀：
研究人員利用3D打印技術(shù)和納米技術(shù)，為可穿戴設(shè)備制造了一種既耐用又靈活的傳感器，可用于從監(jiān)測生命體征到追蹤運(yùn)動表現(xiàn)等一切情況。這項(xiàng)新技術(shù)由滑鐵盧大學(xué)工程師開發(fā)，將硅橡膠與超薄石墨烯層結(jié)合在一起形成一種新材料，是制作腕帶或跑步鞋鞋墊的理想材料。當(dāng)橡膠材料彎曲或移動時(shí)，高導(dǎo)電性的納米級石墨烯就會產(chǎn)生電信號，這種石墨烯嵌在其設(shè)計(jì)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中。

“硅樹脂為我們提供了生物監(jiān)測應(yīng)用所需的靈活性和耐久性，而添加的嵌入式石墨烯使其成為一種有效的傳感器。” 滑鐵盧大學(xué)多尺度增材制造(MSAM)實(shí)驗(yàn)室的研究主任Ehsan Toyserkani說，“這一切都集中在一個單一的部分。”

只有使用最先進(jìn)3D打印技術(shù)——也被稱為加法制造——的設(shè)備和工藝，才能制造出具有如此復(fù)雜內(nèi)部特征的硅橡膠結(jié)構(gòu)。

這種橡膠-石墨烯材料除了具有高導(dǎo)電性外，還具有極高的柔韌性和耐用性。

“它可以在最惡劣的環(huán)境中使用，即使是在極端的溫度和濕度下?！被F盧大學(xué)工程學(xué)博士生、該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人埃爾哈姆•達(dá)烏迪(Elham Davoodi)說。“它甚至可以能跟你的衣服一起洗。”

這種材料和3D打印工藝使定制的設(shè)備能夠精確地適合用戶的體型，同時(shí)與現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備相比也提高了舒適度，并由于簡單而降低了制造成本。

Toyserkani是機(jī)械和機(jī)電工程的教授，他說這種橡膠石墨烯傳感器可以與電子元件搭配使用，制成可穿戴設(shè)備，記錄心率和呼吸頻率，記錄運(yùn)動員跑步時(shí)施加的力量，讓醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)控病人，以及其它許多潛在的應(yīng)用。

來自加利福尼亞大學(xué)、洛杉磯分校和英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員共同參與了這個項(xiàng)目。

這項(xiàng)研究的最新系列論文《為可穿戴生物監(jiān)測制作3D打印超堅(jiān)固表面摻雜多孔硅傳感器》發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

可穿戴式傳感器的發(fā)展

隨著過去幾十年衛(wèi)生保健的改善，如今，工業(yè)化國家的居民壽命更長，但健康狀況往往復(fù)雜多樣。急性創(chuàng)傷的存活率也有所提高，但這與嚴(yán)重殘疾患者數(shù)量的增加有關(guān)。從流行病學(xué)的角度來看，美國“嬰兒潮”一代現(xiàn)在已經(jīng)到了開始對醫(yī)療保險(xiǎn)制度產(chǎn)生嚴(yán)重壓力的年齡。不止是美國，高度工業(yè)化國家的醫(yī)療保健系統(tǒng)都將面臨類似的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

這些變化的人口結(jié)構(gòu)提出了一些基本問題：我們?nèi)绾握疹櫾絹碓蕉嗷加袕?fù)雜疾病的人？我們?nèi)绾螢槟切o法獲得醫(yī)療服務(wù)的人提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)？我們?nèi)绾巫畲笙薅鹊靥岣咴絹碓蕉嗟睦夏耆说莫?dú)立性和參與性?

顯然，回答這些問題將是復(fù)雜的，需要我們改變組織和支付醫(yī)療保健的方式。然而，部分解決方案可能在于我們?nèi)绾我约霸诤畏N程度上利用信息技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。目前，一些技術(shù)大有希望擴(kuò)大衛(wèi)生保健系統(tǒng)的能力，將其范圍擴(kuò)大到社區(qū)，改進(jìn)診斷和監(jiān)測，并最大限度地提高個人的獨(dú)立性和參與性?？纱┐骷夹g(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是一種，而且，最近可穿戴傳感器系統(tǒng)的發(fā)展帶來了許多令人興奮的臨床應(yīng)用。

可穿戴傳感器具有診斷和監(jiān)測應(yīng)用。它們目前的功能包括生理和生化傳感，以及運(yùn)動傳感。生理監(jiān)測可以幫助診斷和治療大量患有神經(jīng)、心血管和肺部疾病(如癲癇、高血壓、閱讀障礙和哮喘)的患者。基于家庭的運(yùn)動感應(yīng)可能有助于預(yù)防跌倒，并有助于最大限度地提高個人的獨(dú)立性和社區(qū)參與。

對康復(fù)感興趣的生理監(jiān)測包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和肌肉活動。從這些監(jiān)測中提取的參數(shù)可以提供健康狀況的指標(biāo)，具有極大的診斷價(jià)值。以前，只有在醫(yī)院環(huán)境中才能對生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。但是今天，隨著可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，精確、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測生理信號成為可能。

在可穿戴系統(tǒng)中集成生理監(jiān)測通常需要巧妙的設(shè)計(jì)和新穎的傳感器定位。例如，Asada等人提出了一種用于測量血氧飽和度(SpO2)和心率的環(huán)形傳感器設(shè)計(jì)。環(huán)形傳感器是完全獨(dú)立的。戴在手指上像戒指一樣，它集成了減少運(yùn)動偽影的技術(shù)，旨在提高測量精度。環(huán)形傳感器的應(yīng)用范圍從高血壓的診斷到充血性心力衰竭的治療。隨后，同一研究小組開發(fā)了一種獨(dú)立的可穿戴式無袖光電脈搏波(PPG)血壓監(jiān)測儀。該傳感器集成了一個基于兩個微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)的新型高度傳感器，用于測量PPG傳感器相對于心臟的靜水壓力偏移。平均動脈血壓來自于PPG傳感器輸出振幅，它考慮了傳感器相對于心臟的高度。

另一個巧妙設(shè)計(jì)的例子是Corbishley等人利用小型可穿戴式聲傳感器(如麥克風(fēng))開發(fā)測量呼吸頻率的系統(tǒng)。將麥克風(fēng)置于頸部，記錄與呼吸相關(guān)的聲學(xué)信號，通過帶通濾波得到信號調(diào)制包。通過開發(fā)過濾環(huán)境噪聲和其他人為干擾的技術(shù)，研究人員成功地達(dá)到了90%以上的呼吸率測量精度。此外，他們還提出了一種基于上述傳感技術(shù)的呼吸暫停檢測算法。

近年來，柔性電路領(lǐng)域的發(fā)展和傳感技術(shù)與可穿戴設(shè)備的融合，使生理監(jiān)測受益匪淺。Patterson等人介紹了一種用于心率監(jiān)測的耳戴式、柔性、低功耗PPG傳感器。由于傳感器的位置和不顯眼的設(shè)計(jì)，它適合長期監(jiān)測。雖然這種類型的系統(tǒng)已經(jīng)顯示出有希望的結(jié)果，但似乎需要進(jìn)行額外的工作來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動偽影的減少。適當(dāng)降低運(yùn)動偽影對可穿戴傳感器的部署至關(guān)重要。一些由于運(yùn)動產(chǎn)生的問題可以通過將傳感器集成到裝套中來最小化。Lanata等人對不同穿戴式呼吸功能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析。分析結(jié)果表明，壓電氣體造影比肺活量法具有更好的檢測效果。盡管如此，在信號處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以減輕運(yùn)動偽影是有需要的。

生物化學(xué)傳感器近年來引起了可穿戴技術(shù)領(lǐng)域研究人員的極大興趣。這些類型的傳感器可用于監(jiān)測生物化學(xué)以及大氣中化合物的水平(例如，便于監(jiān)測在危險(xiǎn)環(huán)境中工作的人)。從設(shè)計(jì)的角度來看，生化傳感器可能是最復(fù)雜的，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰占⒎治龊吞幚眢w液。穿戴式生化傳感器領(lǐng)域的研究進(jìn)展緩慢，但隨著微納米制造技術(shù)的發(fā)展，近年來研究的步伐有所加快。例如，Dudde等人開發(fā)了一種微創(chuàng)可穿戴閉環(huán)準(zhǔn)連續(xù)藥物輸注系統(tǒng)，可以測量血糖水平并自動注射胰島素。葡萄糖監(jiān)測器由一種新型的硅傳感器組成，它利用微灌注技術(shù)連續(xù)測量葡萄糖水平，而胰島素的持續(xù)輸注是通過一種改良的高級胰島素泵實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)備集成了藍(lán)牙通信功能，用于顯示和記錄數(shù)據(jù)，并接收來自個人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備的命令。

在歐盟委員會的支持下，作為BIOTEX項(xiàng)目的一部分，一系列生物化學(xué)傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來。具體來說，BIOTEX項(xiàng)目涉及將生化傳感器集成到紡織品中，用于監(jiān)測體液。在這個項(xiàng)目中，研究人員開發(fā)了一種基于紡織品的流體收集系統(tǒng)和傳感器，用于體內(nèi)外測試人體汗液的pH值、鈉和電導(dǎo)率。通過可穿戴系統(tǒng)的體內(nèi)外測試，研究人員已經(jīng)證明，該系統(tǒng)可以用于體育活動中汗液的實(shí)時(shí)分析。

作為一個類似項(xiàng)目ProeTEX的一部分，Curone等人為消防員開發(fā)了一種可穿戴的傳感服裝，它集成了一個二氧化碳傳感器來測量運(yùn)動、環(huán)境和體溫、位置、血氧飽和度、心率和呼吸速率。ProeTEX系統(tǒng)可以向消防員發(fā)出潛在危險(xiǎn)環(huán)境的警告，并向控制中心提供有關(guān)他們健康狀況的信息。上述項(xiàng)目開發(fā)的系統(tǒng)可用于設(shè)計(jì)用于遠(yuǎn)程健康監(jiān)測應(yīng)用的基于電子紡織的可穿戴系統(tǒng)。

與此同時(shí)，人們對開發(fā)“芯片實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)越來越感興趣。這樣的系統(tǒng)可以通過使測試和診斷快速、廉價(jià)且容易獲得，從而徹底改變醫(yī)療點(diǎn)測試和診斷。Wang等人開發(fā)了一種集成了pH值和溫度傳感器的系統(tǒng)芯片(SOC)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用。他們的SOC包括通用傳感器接口、ADC、微控制器、數(shù)據(jù)編碼器和頻移鍵控射頻發(fā)射機(jī)。類似地，Ahn等人開發(fā)了一種低成本的一次性塑料芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，用于血液氣體濃度和葡萄糖等參數(shù)的生化檢測。該生物芯片包含一個用于檢測多個參數(shù)的集成生物傳感器陣列，并使用被動微流控系統(tǒng)代替主動微流控泵。

圖片來源：University of Waterloo

導(dǎo)讀：
研究人員利用3D打印技術(shù)和納米技術(shù)，為可穿戴設(shè)備制造了一種既耐用又靈活的傳感器，可用于從監(jiān)測生命體征到追蹤運(yùn)動表現(xiàn)等一切情況。這項(xiàng)新技術(shù)由滑鐵盧大學(xué)工程師開發(fā)，將硅橡膠與超薄石墨烯層結(jié)合在一起形成一種新材料，是制作腕帶或跑步鞋鞋墊的理想材料。當(dāng)橡膠材料彎曲或移動時(shí)，高導(dǎo)電性的納米級石墨烯就會產(chǎn)生電信號，這種石墨烯嵌在其設(shè)計(jì)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中。

“硅樹脂為我們提供了生物監(jiān)測應(yīng)用所需的靈活性和耐久性，而添加的嵌入式石墨烯使其成為一種有效的傳感器。” 滑鐵盧大學(xué)多尺度增材制造(MSAM)實(shí)驗(yàn)室的研究主任Ehsan Toyserkani說，“這一切都集中在一個單一的部分。”

只有使用最先進(jìn)3D打印技術(shù)——也被稱為加法制造——的設(shè)備和工藝，才能制造出具有如此復(fù)雜內(nèi)部特征的硅橡膠結(jié)構(gòu)。

這種橡膠-石墨烯材料除了具有高導(dǎo)電性外，還具有極高的柔韌性和耐用性。

“它可以在最惡劣的環(huán)境中使用，即使是在極端的溫度和濕度下?！被F盧大學(xué)工程學(xué)博士生、該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人埃爾哈姆•達(dá)烏迪(Elham Davoodi)說。“它甚至可以能跟你的衣服一起洗。”

這種材料和3D打印工藝使定制的設(shè)備能夠精確地適合用戶的體型，同時(shí)與現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備相比也提高了舒適度，并由于簡單而降低了制造成本。

Toyserkani是機(jī)械和機(jī)電工程的教授，他說這種橡膠石墨烯傳感器可以與電子元件搭配使用，制成可穿戴設(shè)備，記錄心率和呼吸頻率，記錄運(yùn)動員跑步時(shí)施加的力量，讓醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)控病人，以及其它許多潛在的應(yīng)用。

來自加利福尼亞大學(xué)、洛杉磯分校和英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員共同參與了這個項(xiàng)目。

這項(xiàng)研究的最新系列論文《為可穿戴生物監(jiān)測制作3D打印超堅(jiān)固表面摻雜多孔硅傳感器》發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

可穿戴式傳感器的發(fā)展

隨著過去幾十年衛(wèi)生保健的改善，如今，工業(yè)化國家的居民壽命更長，但健康狀況往往復(fù)雜多樣。急性創(chuàng)傷的存活率也有所提高，但這與嚴(yán)重殘疾患者數(shù)量的增加有關(guān)。從流行病學(xué)的角度來看，美國“嬰兒潮”一代現(xiàn)在已經(jīng)到了開始對醫(yī)療保險(xiǎn)制度產(chǎn)生嚴(yán)重壓力的年齡。不止是美國，高度工業(yè)化國家的醫(yī)療保健系統(tǒng)都將面臨類似的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

這些變化的人口結(jié)構(gòu)提出了一些基本問題：我們?nèi)绾握疹櫾絹碓蕉嗷加袕?fù)雜疾病的人？我們?nèi)绾螢槟切o法獲得醫(yī)療服務(wù)的人提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)？我們?nèi)绾巫畲笙薅鹊靥岣咴絹碓蕉嗟睦夏耆说莫?dú)立性和參與性?

顯然，回答這些問題將是復(fù)雜的，需要我們改變組織和支付醫(yī)療保健的方式。然而，部分解決方案可能在于我們?nèi)绾我约霸诤畏N程度上利用信息技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。目前，一些技術(shù)大有希望擴(kuò)大衛(wèi)生保健系統(tǒng)的能力，將其范圍擴(kuò)大到社區(qū)，改進(jìn)診斷和監(jiān)測，并最大限度地提高個人的獨(dú)立性和參與性?？纱┐骷夹g(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是一種，而且，最近可穿戴傳感器系統(tǒng)的發(fā)展帶來了許多令人興奮的臨床應(yīng)用。

可穿戴傳感器具有診斷和監(jiān)測應(yīng)用。它們目前的功能包括生理和生化傳感，以及運(yùn)動傳感。生理監(jiān)測可以幫助診斷和治療大量患有神經(jīng)、心血管和肺部疾病(如癲癇、高血壓、閱讀障礙和哮喘)的患者。基于家庭的運(yùn)動感應(yīng)可能有助于預(yù)防跌倒，并有助于最大限度地提高個人的獨(dú)立性和社區(qū)參與。

對康復(fù)感興趣的生理監(jiān)測包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和肌肉活動。從這些監(jiān)測中提取的參數(shù)可以提供健康狀況的指標(biāo)，具有極大的診斷價(jià)值。以前，只有在醫(yī)院環(huán)境中才能對生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。但是今天，隨著可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，精確、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測生理信號成為可能。

在可穿戴系統(tǒng)中集成生理監(jiān)測通常需要巧妙的設(shè)計(jì)和新穎的傳感器定位。例如，Asada等人提出了一種用于測量血氧飽和度(SpO2)和心率的環(huán)形傳感器設(shè)計(jì)。環(huán)形傳感器是完全獨(dú)立的。戴在手指上像戒指一樣，它集成了減少運(yùn)動偽影的技術(shù)，旨在提高測量精度。環(huán)形傳感器的應(yīng)用范圍從高血壓的診斷到充血性心力衰竭的治療。隨后，同一研究小組開發(fā)了一種獨(dú)立的可穿戴式無袖光電脈搏波(PPG)血壓監(jiān)測儀。該傳感器集成了一個基于兩個微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)的新型高度傳感器，用于測量PPG傳感器相對于心臟的靜水壓力偏移。平均動脈血壓來自于PPG傳感器輸出振幅，它考慮了傳感器相對于心臟的高度。

另一個巧妙設(shè)計(jì)的例子是Corbishley等人利用小型可穿戴式聲傳感器(如麥克風(fēng))開發(fā)測量呼吸頻率的系統(tǒng)。將麥克風(fēng)置于頸部，記錄與呼吸相關(guān)的聲學(xué)信號，通過帶通濾波得到信號調(diào)制包。通過開發(fā)過濾環(huán)境噪聲和其他人為干擾的技術(shù)，研究人員成功地達(dá)到了90%以上的呼吸率測量精度。此外，他們還提出了一種基于上述傳感技術(shù)的呼吸暫停檢測算法。

近年來，柔性電路領(lǐng)域的發(fā)展和傳感技術(shù)與可穿戴設(shè)備的融合，使生理監(jiān)測受益匪淺。Patterson等人介紹了一種用于心率監(jiān)測的耳戴式、柔性、低功耗PPG傳感器。由于傳感器的位置和不顯眼的設(shè)計(jì)，它適合長期監(jiān)測。雖然這種類型的系統(tǒng)已經(jīng)顯示出有希望的結(jié)果，但似乎需要進(jìn)行額外的工作來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動偽影的減少。適當(dāng)降低運(yùn)動偽影對可穿戴傳感器的部署至關(guān)重要。一些由于運(yùn)動產(chǎn)生的問題可以通過將傳感器集成到裝套中來最小化。Lanata等人對不同穿戴式呼吸功能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析。分析結(jié)果表明，壓電氣體造影比肺活量法具有更好的檢測效果。盡管如此，在信號處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以減輕運(yùn)動偽影是有需要的。

生物化學(xué)傳感器近年來引起了可穿戴技術(shù)領(lǐng)域研究人員的極大興趣。這些類型的傳感器可用于監(jiān)測生物化學(xué)以及大氣中化合物的水平(例如，便于監(jiān)測在危險(xiǎn)環(huán)境中工作的人)。從設(shè)計(jì)的角度來看，生化傳感器可能是最復(fù)雜的，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰占⒎治龊吞幚眢w液。穿戴式生化傳感器領(lǐng)域的研究進(jìn)展緩慢，但隨著微納米制造技術(shù)的發(fā)展，近年來研究的步伐有所加快。例如，Dudde等人開發(fā)了一種微創(chuàng)可穿戴閉環(huán)準(zhǔn)連續(xù)藥物輸注系統(tǒng)，可以測量血糖水平并自動注射胰島素。葡萄糖監(jiān)測器由一種新型的硅傳感器組成，它利用微灌注技術(shù)連續(xù)測量葡萄糖水平，而胰島素的持續(xù)輸注是通過一種改良的高級胰島素泵實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)備集成了藍(lán)牙通信功能，用于顯示和記錄數(shù)據(jù)，并接收來自個人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備的命令。

在歐盟委員會的支持下，作為BIOTEX項(xiàng)目的一部分，一系列生物化學(xué)傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來。具體來說，BIOTEX項(xiàng)目涉及將生化傳感器集成到紡織品中，用于監(jiān)測體液。在這個項(xiàng)目中，研究人員開發(fā)了一種基于紡織品的流體收集系統(tǒng)和傳感器，用于體內(nèi)外測試人體汗液的pH值、鈉和電導(dǎo)率。通過可穿戴系統(tǒng)的體內(nèi)外測試，研究人員已經(jīng)證明，該系統(tǒng)可以用于體育活動中汗液的實(shí)時(shí)分析。

作為一個類似項(xiàng)目ProeTEX的一部分，Curone等人為消防員開發(fā)了一種可穿戴的傳感服裝，它集成了一個二氧化碳傳感器來測量運(yùn)動、環(huán)境和體溫、位置、血氧飽和度、心率和呼吸速率。ProeTEX系統(tǒng)可以向消防員發(fā)出潛在危險(xiǎn)環(huán)境的警告，并向控制中心提供有關(guān)他們健康狀況的信息。上述項(xiàng)目開發(fā)的系統(tǒng)可用于設(shè)計(jì)用于遠(yuǎn)程健康監(jiān)測應(yīng)用的基于電子紡織的可穿戴系統(tǒng)。

與此同時(shí)，人們對開發(fā)“芯片實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)越來越感興趣。這樣的系統(tǒng)可以通過使測試和診斷快速、廉價(jià)且容易獲得，從而徹底改變醫(yī)療點(diǎn)測試和診斷。Wang等人開發(fā)了一種集成了pH值和溫度傳感器的系統(tǒng)芯片(SOC)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用。他們的SOC包括通用傳感器接口、ADC、微控制器、數(shù)據(jù)編碼器和頻移鍵控射頻發(fā)射機(jī)。類似地，Ahn等人開發(fā)了一種低成本的一次性塑料芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，用于血液氣體濃度和葡萄糖等參數(shù)的生化檢測。該生物芯片包含一個用于檢測多個參數(shù)的集成生物傳感器陣列，并使用被動微流控系統(tǒng)代替主動微流控泵。