可穿戴式柔性呼吸传感器的智能口罩

呼吸状况是与人体健康密切相关的重要生理指标。用于呼吸模式识别的可穿戴式柔性呼吸传感器因其可为个人医疗诊断、健康监测等提供生理信号细节，因此受到广泛关注。然而，目前基于柔性呼吸传感器的智能口罩多采用单模检测，只能检测到相对较少的呼吸模式，尤其是缺乏准确区分口呼吸和鼻呼吸的能力。

据麦姆斯咨询报道，近期，中山大学陈弟虎教授、陈敏教授研究团队开发出一种智能口罩，其中包含用于识别多种呼吸模式的压力和温度双模传感器，能够识别八种呼吸模式。得益于其实时识别和准确区分口呼吸和鼻呼吸的能力，该智能口罩可用于监测口呼吸综合征的发展，在呼吸相关疾病的早期预警和诊断方面也具有巨大的潜力。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

该项工作中，研究人员通过构建不同的传感模型结构，将一种具有优异机械性能和温度传感性能的新型柔性碳纳米纤维垫作为压力和温度传感模块的活性材料。压力传感器表现出高灵敏度，适用于检测呼吸气流产生的压力，可以检测人体的各种生理信号。温度传感器可以通过感应口鼻呼吸引起的微小温度变化来实现非接触式温度检测。

安装在智能口罩上的双模传感器，用于检测呼吸引起的压力和温度变化

对于智能口罩中用于呼吸监测的柔性传感器而言，非接触式温度检测能力是必不可少的。为了验证该双模传感器的两种传感模式可以独立工作，研究人员对其同时开展温度和压力检测。结果证明，该双模传感器的各个传感模式可以独立工作、互不干扰。该独特功能使其在呼吸监测智能口罩和人工智能电子皮肤中具有广阔的应用前景。

安装在手套上的传感器靠近（a）冷物体、（b）热物体和（c）正常物体的红外热成像，（d）传感器实时输出电流和电阻响应图

研究人员基于该双模传感器制备了智能口罩，并集成了一个带指示器的小型测量电路，用于实时显示不同的呼吸状态。研究表明，该智能口罩可以持续监测和分析呼吸状况，包括鼻正常呼吸、鼻浅呼吸、鼻深呼吸、鼻急呼吸、咳嗽、屏气、口正常呼吸和口缓慢呼吸等八种呼吸模式。该双模传感器的压力传感模式具有高灵敏度，可以检测呼吸气流、声音和动脉脉搏产生的小压力信号，温度传感模式可以实现对口鼻呼吸引起的微小温度变化的非接触式检测。未来，该双模传感器可以进一步与无线读出电路和移动应用程序相结合，以实现无线呼吸监测。

（a）不同压力强度下呼吸模式的检测信号，（b）屏气，（c）咳嗽，（d）口呼吸和鼻呼吸的红外成像，（e）鼻呼吸和口呼吸状态下的压力和温度响应，（f）通过连续的口鼻呼吸反应信号来识别呼吸模式，（g）智能口罩通过监测温度来区分口鼻呼吸

研究人员分析认为，与以往报道的呼吸监测技术相比，该智能口罩有两方面优势：一是实现了对口呼吸和鼻呼吸的准确区分，可以预防口呼吸综合征；二是其双模传感方式可以实现前所未有的多种呼吸模式监测，从而对人体生理学进行更详细地分析。该智能口罩还在监测患有呼吸疾病（如COVID-19、肺炎等）患者的呼吸模式方面具有潜在应用，将有利于疾病的早期预警和诊断。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-21572-y

编辑：黄飞